Теплоемкость ксенона, адсорбированного в канавках наносвязок

Abstract

Модель одномерного неидеального газа во внешнем поперечном силовом поле применена для интерпретации экспериментально наблюдаемых термодинамических свойств ксенона, осажденного в канавки на поверхности углеродных наносвязок. Неидеально газовая модель с парным взаимодействием не вполне адекватна для описания плотных адсорбатов (при низких температурах), однако она позволяет легко учесть обмен частицами между 1D адсорбатом и 3D атмосферой, который становится существенным фактором при промежуточных (для ксенона — порядка 35 К) и особенно высоких (~ 100 К) температурах. В настоящей работе мы рассматриваем 1D реальный газ с учетом только парного взаимодействия Леннард-Джонса, однако при наличии точных условий равновесия по числу частиц между одномерным адсорбатом и трехмерной атмосферой измерительной ячейки. Низкотемпературная ветвь теплоемкости подгоняется независимо в модели упругой цепочки таким образом, чтобы получить наилучшее согласие теории и эксперимента в как можно более широкой области, начиная от нуля температур. Газовое приближение включается от температур, при которых фононная теплоемкость цепочки практически выходит на одномерный закон равнораспределения. При этом принципиальные параметры обеих моделей могут быть выбраны так, что теплоемкость С(Т) цепочки практически непрерывно переходит в соответствующую зависимость газового приближения. Таким образом, можно ожидать, что адекватная интерпретация реальных температурных зависимостей теплоемкости низкоразмерных атомарных адсорбатов может быть достигнута путем разумного сочетания подходов, основанных как на фононном, так и на газовом приближениях. Основные параметры газового приближения (такие, как энергия десорбции), найденные из подгонки теории и эксперимента для теплоемкости ксенона, хорошо коррелируют с известными литературными данными.

Модель одновимірного неідеального газу у зовнішньому поперечному силовому полі застосовано для інтерпретації експериментально спостережуваних термодинамічних властивостей ксенону, осадженого в канавки на поверхні вуглецевих нанозв’язків. Неідеально газова модель з парною взаємодією не є цілковито адекватною для опису щільних адсорбатів (при низьких температурах), але вона дозволяє легко врахувати обмін частками між 1D адсорбатом та 3D атмосферою, який стає істотним фактором при проміжних (для ксенону приблизно 35 К) та особливо при высоких (~ 100 К) температурах. У даній роботі ми розглядаємо 1D реальный газ з врахуванням лише парної взаємодії Леннард-Джонса, але за наявності точних умов рівноваги по числу часток між одновимірним адсорбатом та тривимірною атмосферою вимірювальної комірки. Низькотемпературна гілка теплоємності підганяється незалежно в моделі пружного ланцюжка таким чином, щоб отримати найкращу згоду теорії та експеримента у якмога ширшій області, починаючи з нуля температур. Газове наближення включєеться від температур, за яких фононна теплоємність ланцюжка практично выходить на одновимірный закон рівнорозподілу. При цьому принципові параметри обох моделей можуть бути підібрані таким чином, що теплоємність С(Т) ланцюжка практично неперервно переходить у відповідну залежність газового наближення. Таким чином, можна очікувати, що адекватна інтерпретація реальних температурних залежностей теплоємності низьковимірних атомарних адсорбатів може бути досягнута шляхом розумного поєднання підходів, що грунтуються як на фононному, так і на газовому наближеннях. Основні параметри газового наближення (такі, як енергія десорбції), знайдені підгонкою теорії до експеримента для теплоємності ксенону, добре корелюють з відомими літературными даними.

A model of one-dimensional real gas under external transverse force field is applied to interpret the experimentally observed thermodynamical properties of xenon deposited into groves on the surface of carbon nanobundles. This non-ideal gas model with pair interaction is not quite adequate to describe the dense adsorbates (especially at low temperature limit), but it makes possible to take into account easily the particle exchange between 1D adsorbate and 3D atmosphere which becomes an essential factor since intermediate (for xenon — of order 35 K) up to high (~ 100 K) temperatures. In this paper we treat the 1D real gas with only Lennard-Jones pair interaction, but at presence of exact equilibrium conditions on the atom numbers between low-dimensional adsorbate and three-dimensional atmosphere of the experimental cell. The low-temperature branch of the heat capacity has been fitted separately within the elastic atomic chain model to get the best agreement between theory and experiment in as wide as possible region just from zero temperature. The gas approximation is introduced from the temperatures where the chain heat capacity tends definitely to 1D equipartition law. In this case the principal parameters for both models can be chosen in such a way that the heat capacity C(T) of the chain goes continuously into the corresponding curve of the gas approximation. So, it seems to be expected that adequate interpretation for temperature dependences of the atomic adsorbate heat capacity can be obtained through a reasonable combination of 1D gas and phonon approaches. The principal parameters of the gas approximation (such a desorption energy) found from the fitting between theory and experiment for xenon heat capacity are in good agreement with corresponding data known in literature.