白金表面上のAr/Kr混合物の蒸発：分子動力学法による研究

Evaporation of Ar/Kr mixtures on platinum surface: a molecular dynamics study.

• Shouyin Cai
• Qibin Li
• Chao Liu
• Lu Zhang

抄録

蒸発は典型的な熱・物質移動プロセスであり、自然界でも産業界でも重要なプロセスである。ここでは、5つの流体サンプル(モル比Ar：Kr=1：3, Ar：Kr=1：1, Ar：Kr=3：1, Ar：Kr=3：1の純Ar, 純Kr, Ar/Kr混合物)の白金表面上での蒸発を分子動力学シミュレーションを用いて調べました。その結果、Arの三重点以下の70KでAr/Kr混合物(Ar:Kr=1:1, Ar:Kr=3:1)が融解することがわかった。さらに、同条件では、他の系は固体状態として凍結していた。また、Arの沸点を超える90KでのPt表面は、すべての系でAr原子の蒸発を誘発したが、Kr原子は凝縮状態のままであった。Krの沸点付近でPt表面を120Kに加熱すると、Kr原子が大きく蒸発することが報告された。Krの存在はAr原子の蒸発を減少させることができ、特に混合物中のAr：Krのモル比が1：1の場合には、Ar：Kr＝1：1の系は気液界面の温度を効果的に低下させることができるため、Ar原子の蒸発を減少させることができた。これは、蒸発した原子が凝縮膜から熱エネルギーを奪うためである。さらに、白金表面に近いArとKrの両方の原子は、白金基板からの強い吸引力のため、蒸発中にほとんど変化しなかった。

Evaporation is a typical heat and mass transfer process, which is important in both nature and industry. Here, the evaporation of five fluid samples (pure Ar, pure Kr and Ar/Kr mixtures with molar ratio Ar : Kr = 1 : 3, Ar : Kr = 1 : 1 and Ar : Kr = 3 : 1) on Pt surface was investigated using molecular dynamics simulations. Colligative properties of the mixtures led to the melting of the Ar/Kr mixtures (Ar : Kr = 1 : 1, Ar : Kr = 3 : 1) at 70 K below the triple point of Ar. Furthermore, under the same condition, the other systems were frozen as the solid state. The Pt surface at 90 K, over the boiling point of Ar, triggered the evaporation of Ar atoms in all the systems while the Kr atoms remained in the condensed state. Kr atoms were reported to be evaporated to a large extent when the Pt surface was heated to 120 K near the boiling point of Kr. The presence of Kr could reduce the evaporation of the Ar atoms, especially when the mole ratio of Ar : Kr in the mixture was 1 : 1 because the Ar : Kr = 1 : 1 system can effectively reduce the temperature of the gas-liquid interface. The temperature of the fluid samples then decreased with increase in distance between Pt and fluid atoms because the evaporated atoms could take the thermal energy away from the condensed films. Moreover, both Ar and Kr atoms, which were close to the Pt surface, hardly changed during evaporation because of the strong attractive force from the Pt substrate.