ساختار و خواص ترمودینامیکی سیالات محدودشده درون نانوحفره ها، تفاوت های چشم گیری با سیالات توده ای دارد. دلیل اصلی این تفاوت ها به وجود دیواره های سامانه مربوط است. علاوه بر اثر انتروپی ناشی از دیواره ها، این دیواره ها می توانند انرژی سامانه ی محدودشده را نیز به شدت دست خوش دگرگونی کنند. در سیالات محدودشده، نیروهای ناشی از دیواره های حفره و رقابت نیروهای بین‏مولکولی با این نیروها سبب پیدایش ویژگی های بسیار جالبی می شود که بسیاری از آن ها در سامانه های درشت نمود قابل مشاهد نیست. در این رساله، با استفاده از یک نسخه ی بسیار کارامد از نظریه ی تابعی چگالی (نظریه ی مقادیر بنیادین) توزیع چگالی سیال کره ی‏سخت پیرامون کره های سخت و نرم گوناگون محاسبه شده است. این نتایج نشان می دهند که افزایش قطر مولکول مرکزی مایه ی افزایش چگالی در نقطه ی برخورد و نیز افزایش دامنه ی نوسان های توزیع چگالی و ویژگی لایه ای ساختار در اطراف مولکول مرکزی می شود. این رفتار، هنگامی که جاذبه ی بین مولکول مرکزی و مولکول های سیال افزایش یابد نیز مشاهد می شود. یافته ی دیگر این بررسی ها آن است که افزایش قطر مولکول مرکزی همانند یک نیروی جاذبه عمل می کند. این نیرو که سرچشمه ی انتروپی دارد، با نام نیروی تهی شدگی شناخته شده است. مادامی که قطر مولکول مرکزی از چند برابر قطر مولکول های سیال تجاوز نکند، این پتانسیل تهی شدگی را می توان در یک مدل پتانسیل کره ی‏سخت با دنباله ی یوکاوا برازش کرد. همچنین، در این رساله، ساختار و خواص پیکربندی یک سیال کره ی‏سخت که درون یک نانوحفره ی شیاری با دیواره های سخت و بدون ساختار محدودشده است، با استفاده از نظریه ی مقادیر بنیادین بررسی شده است. برای این منظور، پتانسیل شیمیایی موضعی چند ساختار فرضی و واقعی سیال کره ی‏سخت که درون یک نانوحفره ی شیاری محدودشده، مورد بررسی قرار گرفته است. ناهمگنی تعدادی از این پتانسیل های شیمیایی نشان دهنده ی تمایل مولکول ها برای گردآمدن در کناره ی دیواره ها است. در مرحله ی بعدی، انتروپی ساختاری سیال کره ی‏سخت محدودشده درون نانوحفره ی شیاری با ساختارهای فرضی و واقعی گوناگون بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که حجم مستثنی‏شده در کناره ی دیواره ها سبب می شود تعداد پیکربندی های ممکن برای سامانه کاهش یابد که نتیجه ی آن، کاهش انتروپی سامانه است. بنابراین، سیال برای جبران این کاهش انتروپی، ساختار ناهمگن را برمی گزیند. ساختار ناهمگن و لایه ای سیال محدودشده، به مولکول هایی که در فاصله های دورتر نسبت به دیواره قرار گرفته اند، اجازه می دهد فضای بزرگ تری در دست رس داشته باشند که نتیجه ی آن افزایش تعداد پیکربندی ها و در نهایت افزایش انتروپی سیال محدودشده است. در همین راستا، نتایج به دست آمده با استفاده از نظریه ی مقادیر بنیادین نشان می دهند که یک گذار فاز لایه ای شدن در سیال کره ی‏سخت محدودشده درون یک نانوحفره ی شیاری با دیواره های سخت و بدون ساختار رخ می دهد که سرچشمه ی آن، به طور خالص، انتروپی سامانه است. همچنین، در این رساله، با استفاده از نظریه ی مقادیر بنیادین اختلالی، اثر دیواره ها بر انرژی سامانه ی محدودشده بررسی شده است. برای این منظور، از سیال دو-یوکاوایی که درون نانوحفره های شیاری با دیوار های گوناگون محدودشده ، استفاده شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که چگونه ساختار و خواص ترمودینامیکی سیال محدودشده به وسیله ی اثرات انرژی دست خوش تغییر قرار می گیرند. در نهایت، با استفاده از نظریه ی تابعی چگالی اختلالی تارازونا-روزنفلد، ساختار و گذار فاز سیال لنارد-جونز محدودشده درون یک نانولوله ی کربنی تک دیواره بررسی شده است.

اساس این تحقیق استفاده از فناوری نانو در کاهش اتلاف انرژی است که بخش مهمی از تحقیقات عصر حاضر را به خود اختصاص داده است. کمیت مهمی که در این راستا به بررسی آن پرداخته شده است ویسکوزیته نانو سیالات می باشد که برای اندازه گیری آن از دستگاه ویسکومتر دیجیتال استفاده شد. نانو سیالات مورد مطالعه عبارتند از اکسید تیتانیم در پروپیلن و اتیلن گلیکول و مخلوط این دو سیال که میزان ویسکوزیته این نانو سیالات نسبت به سیال پایه بررسی گردید. به منظور بررسی اثر مدت زمان موج دهی اولتراسونیک بر نانوسیالات، تغییرات ویسکوزیته آنها در مدت زمان های مختلف موج دهی بررسی شد. از آنجا که پایداری نانو سیالات یکی از پارامترهای مهم کاربرد آنها در صنایع گوناگون می باشد، در تمامی مراحل پایداری نانو سیالات بررسی شد. پس از آن به بررسی عوامل موثر بر ویسکوزیته نانو سیالات از قبیل دماو کسر حجمی نانو ذرات پرداختیم و مشاهده شد در تمامی نانو سیالات با افزایش کسر حجمی نانو ذرات، ویسکوزیته افزایش می یابد و پایداری نانو سیالات رقیق تر بیشتر می باشد. ویسکوزیته تمام نانو سیالات با افزایش دما کاهش یافت. سپس به منظور مطالعه خواص رئولوژی نانو سیالات و تعیین نوع رفتار آنها به بررسی اثر شدت برش بر ویسکوزیته پرداختیم. در مرحله بعد به مطالعه اثر سیال پایه بر ویسکوزیته نانو سیالات پرداختیم و مشاهده شد مقدار افزایش ویسکوزیته برای نانو سیالی که ویسکوزیته سیال پایه در آن کمتر است، بیشتر می باشد. نتایج این مرحله همچنین نشان داد نانو سیالی که سیال پایه در آن از ویسکوزیته بالاتری برخوردار است، پایدارتر می باشد.

چکیده می دانیم که امروزه پدیده های بسیار زیادی در طبیعت وجود دارند که رفتار ترمودینامیکی آنها به علت نا فزونور بودن با مکانیک آماری رایج بولتزمن-گیبس قابل توجیه نیستند. بنابراین برای توجیه این پدیده ها بسط آنتروپی بولتزمن-گیبس ضروری به نظر می رسد. در این راستا مکانیک آماری جدیدی بر پایه ی تعریف عمومی تر از آنتروپی، توسط تسالیس ارائه گردید. در این پایان نامه به بررسی میزان افت و خیز انرژی برای دو مدل گاز ایده آل و نوسانگر هماهنگ در روش دوم و چهارم مکانیک آماری تسالیس پرداخته شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد اُفت وخیز انرژی در روش دوم مکانیک آماری تسالیس توسط سه جمله کنترل می شود که جمله ی اول با ظرفیت گرمایی در ارتباط است که در مکانیک آماری تسالیس و مکانیک آماری بولتزمن-گیبس با ضرایب متفاوت که بسته به نوع مکانیک آماری و تعریف متوسط انرژی است ظاهر می شود. جملات دوم وسوم توسط سه عامل نا فزونوری وارد شده در تابع آنتروپی، وزن دار شدن تابع احتمال، و غیر نرمال بودن قید انرژی کنترل می شوند. بررسی اُفت و خیز انرژی در روش چهارم مکانیک آماری تسالیس، که به نظر کامل ترین روش این مکانیک آماری است، نشان می دهد که میزان اُفت و خیز انرژی در این روش در محدوده ی qهای کمتر از یک همیشه کمتر از بولتزمن-گیبس است و برای qهای بیشتر از یک همواره بیشتر از بولتزمن-گیبس است. در واقع هنگامی که تعداد سطوح قابل دسترس سامانه نسبت به آمار بولتزمن-گیبس بیشتر باشد، q>1، اُفت و خیز نسبی انرژی بیشتر است و بلعکس هنگامی که تعداد سطوح قابل دسترس نسبت به بولتزمن-گیبس کمتر باشد اُفت و خیز انرژی نیز کمتر است. لازم به ذکر است که میزان اُفت و خیز انرژی در روش دوم برای مورد نوسانگر هماهنگ در q<1، به علت کم بودن تعداد سطوح قابل دسترس، کمتر از بولتزمن-گیبس است. اما اُفت و خیز انرژی در مور د گاز ایده آل به علت زیاد بودن تعداد سطوح قابل دسترس تقریبا در همه ی q ها، به جز q کمی کمتر از یک، بیشتر از آمار بولتزمن-گیبس است. به طور کلی می توان گفت که یکی از معایب اصلی روش دوم مکانیک آماری تسالیس زیاد بودن اُفت و خیز انرژی و به تبع آن اُفت و خیز کمیت ها است. در واقع در این روش نمی توان متوسط خاصیت مکانیکی سامانه را برابر با خاصیت ترمودینامیکی دانست به عبارتی متوسط انرژی فاقد ارزش فیزیکی است.

این پایان‏نامه به مطالعه ساختار و خواص سطحی سیالات پیرامون نانوذرات استوانه‏ای و کروی و همچنین اثرات محدودیت بر توزیع جمعیت سیالات مخلوط محدود شده داخل نانوحفره‏های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی اختصاص یافته است. در بخش نخست این پایان‏نامه ساختار سیالات اطراف نانوذره استوانه‏ای به عنوان مدلی از ساختار نانولایه‏ها پیرامون نانوذرات در نانوسیالات با درنظر گرفتن نقش دو عامل آنتروپی و انرژی مورد مطالعه قرار گرفته است. با بررسی ساختار سیالات اطراف نواحی مختلف یک نانوذره استوانه‏ای می‏توان تأثیر انحنای دیواره بر ساختار نانولایه‏ها را مورد ارزیابی قرار داد. نتایج نشان می‏دهند که در نبود هرگونه برهم‏کنش جاذبه سیال-سیال، چگونگی تأثیر انحنای دیواره نانوذره بر ساختار سیال کره سخت پیرامون آن به وسیله عامل آنتروپی تعیین می‏گردد. از این رو تمایل مولکول‏های کره سخت برای تجمع در همسایگی دیواره نانوذره با افزایش انحنای آن کاهش می‏یابد به گونه‏ای که چگالی در نقاط برخورد با دیواره‏ تخت نانوذره بیشینه و درگوشه‏های نانوذره کمینه است. نتایج نشان می‏دهد که عامل انرژی ناشی از نادیده گرفته شدن سهمی از برهم‏کنش‏های جاذبه بین‏مولکولی برای سیالات دارای برهم‏کنش‏های بلندبرد، می‏تواند ساختار سیالات پیرامون مناطق مختلف نانوذره را دستخوش تغییرات اساسی کند. درحقیقت ساختار سیالات دارای برهم‏کنش‏های بلندبرد پیرامون نواحی مختلف یک نانوذره استوانه‏ای از رقابت دو عامل انرژی و آنتروپی تعیین می‏گردد. محاسبات نشان می‏دهند که هنگامی که برهم‏کنش‏های جاذبه بین‏مولکول های سیال بسیار قوی است، تمایل مولکول‏ها برای تجمع در همسایگی دیواره با افزایش انحنای دیواره بیشتر شده تا جایی که احتمال حضور مولکول‏ها در مناطق گوشه‏ای به مقدار بیشینه خود می‏رسد. گفتنی است که در این سامانه‏ها غلبه اثرات انرژی بر آنتروپی می‏تواند به پدیده تهی‏شدگی بر روی دیواره‏های تخت و محدب نانوذره استوانه‏ای منجر گردد. در بخش دیگری از این پایان‏نامه تأثیر نوع برهم‏کنش‏های سیال-سیال و سیال- نانوذره بر تغییرات کیفی کشش سطح مشترک سیالات پیرامون نانوذرات کروی با پارامترهای مختلفی همچون اندازه نانوذره، چگالی و دما مورد مطالعه قرار گرفته است. هدف اصلی این بخش تفسیر روند تغییرات کشش سطح مشترک با پارامترهای یادشده با درنظرگرفتن رقابت بین دوعامل تعیین‏کننده مقدار این کمیت می‏باشد. نتایج محاسبات نشان می‏دهند که علامت و رفتار کیفی کشش سطح مشترک به نوع برهم‏کنش‏های سیال-نانوذره وابسته است. کشش‏ سطح مشترک سیالات درتماس با نانوذرات کروی سخت همواره دارای یک مقدار مثبت بوده و با افزایش اندازه نانوذره کاهش می‏یابد. اما رفتار کیفی کشش سطح مشترک برای سیالات پیرامون نانوذرات کروی جاذب متفاوت است. درحقیقت کشش سطح مشترک در این سامانه‏ها هریک از مقادیر مثبت، منفی یا صفر را اختیار کرده و بسته به قدرت برهم‏کنش‏های جاذبه سیال-نانوذره و حالت ترمودینامیکی سامانه می‏تواند دارای روند افزایشی یا کاهش با اندازه نانوذره باشد. همچنین بررسی‏های انجام شده از وجود یک قاعده‏بندی خطی بین کشش سطح مشترک و جذب افزوده سیالات پیرامون نانوذرات کروی حکایت دارد که برای انواع برهم‏کنش‏های سیال-سیال و سیال- نانوذره صادق است. درنهایت دراین پایان‏نامه اثرات محدودیت بر وارونگی جمعیت مخلوط‏های دوتایی سیالات لنارد-جونز مایع و گازی محبوس‏شده داخل نانوحفره‏های شیاری با استفاده از نظریه تابعی چگالی مورد مطالعه قرار گرفته است. این قبیل بررسی ها به دلیل کاربرد ویژه سامانه‏های محدود شده در فرآیندهای جداسازی و خالص‏سازی بسیار دارای اهمیت هستند. مطالعه سیالات لنارد-جونز مایع نشان می‏دهد که اثرات انرژی و آنتروپی می‏توانند با جذب ترجیحی گونه دوم با غلظت بسیار کم در سیال توده به پدیده وارونگی جمعیت در این سامانه ها منجر ‏گردند. درحقیقت جذب گونه دوم با برهم‏کنش‏های بین‏مولکولی ضعیف‏تر و اندازه بزرگ‏تر نسبت به گونه اول از دیدگاه انرژی و آنتروپی مطلوب‏تر است. بنابراین کاهش دادن پارامترهایی از قبیل قدرت برهم‏کنش‏های بین‏مولکولی گونه دوم، دما و اندازه نانوحفره به واسطه عامل انرژی با جذب انتخابی گونه دوم همراه است. نتایج محاسبات نشان می‏دهد که وارونگی جمعیت سیالات در سامانه‏های یادشده با روی دادن پدیده تراکم که شامل جذب و واجذب همزمان گونه‏های 1 و 2 است خاتمه می‏یابد. مطالعه سیالات لنارد-جونز گازی در این پایان نامه حاکی از آن است که با تغییر عواملی همچون نسبت قدرت برهم‏کنش‏های بین‏مولکولی دو گونه ، دما و اندازه نانوحفره می‏توان به شرایطی دست یافت که تراکم مویینگی، وارونگی در توزیع جمعیت سیالات محبوس‏شده را به همراه دارد. در این شرایط فازهای مایع مانند داخل نانوحفره از گونه دوم با غلظت کمتر در سیال توده و برهم کنش‏های بین مولکولی قوی‏تر غنی‏تر هستند

هدف از این پژوهش بررسی برخی قواعد مشاهده شده در سامانه های ماکروسکوپی، در مورد سامانه های محدود شده در فضای نانو و نانوسیالات است. بر این اساس به بررسی قواعد فاکتور تراکم پذیری مشترک، ضریب کشیدگی مشترک، رابطه ی ضریب کشیدگی با فشار (معادله ی تیت- مارناگان) و رابطه ی فشار با دما در سیال فوق بحرانی لنارد- جونز(6-12) محدود شده در نانوحفره ی صفحه ای و رابطه ی ویسکوزیته با کشش سطحی در نانوسیالات پرداخته شده است. بررسی قواعد فاکتور تراکم پذیری و ضریب کشیدگی مشترک و رسم منحنی فاکتور تراکم پذیری و ضریب کشیدگی بر حسب چگالی متوسط ذرات درون نانوحفره، برای سیال لنارد- جونز(6-12) محدود شده در نانوحفره ی صفحه ای سخت، از وجود نقطه ی مشترک، همانند سامانه های ماکروسکوپی، حکایت دارد که در این نقطه کمیت های بیان شده مستقل از دما هستند. همچنین نتایج بررسی ها نشان می دهند که مقدار هر دو کمیت، فاکتور تراکم پذیری و ضریب کشیدگی، با افزایش دما در چگالی های قبل از نقطه ی مشترک افزایش و در چگالی های بعد از آن کاهش می یابند. علاوه بر این تأثیر عوامل محدودیت نظیر اندازه ی نانو حفره و میزان برهمکنش های سیال- دیواره در قواعد فوق مورد ارزیابی قرار گرفت. مشخص شده است که با تغییر عوامل ذکر شده این قواعد هنوز برقرار هستند. اگر چه به نظر می رسد تأثیر دیواره ها روی قاعده ی فاکتور تراکم پذیری مشترک و ضریب کشیدگی مشترک متفاوت باشد. به گونه ای که با تغییر دیواره های نانوحفره ی صفحه ای از نوع سخت به دیواره های با پتانسیل لنارد- جونز(3-4-10)، چگالی و مقدار فاکتور تراکم پذیری در نقطه ی تراکم پذیری مشترک کاهش یافته در حالی که چگالی و مقدار ضریب کشیدگی در نقطه ی کشیدگی مشترک روند افزایشی را نشان می دهند. قاعده ی بعدی که به بررسی آن پرداخته شده است، رابطه ی ضریب کشیدگی با فشار در دمای ثابت به عبارتی معادله ی تیت- مارناگان می باشد که در محدوده ی فشار مطالعه شده، این رابطه به صورت خطی است و با تغییر اندازه ی نانوحفره و افزایش برهمکنش های سیال- دیواره، رابطه ی خطی بیان شده حفظ می شود. رابطه ی خطی فشار با دما در چگالی متوسط ثابت از دیگر قاعده های مطالعه شده در این تحقیق برای سامانه ی محدود شده ی مورد نظر می باشد. نتایج بررسی ها در مورد سیالات محدود شده نشان می دهند که قواعد فوق از جمله خواص ذاتی سیال بوده و دیواره ها فقط حالت های ترمودینامیکی که این قواعد در آن رخ می دهند را تغییر می دهند. درنهایت به بررسی رابطه ی ویسکوزیته و کشش سطحی در نانوسیالات پرداخته شده است که رابطه ی خطی برحسب و همچنین برحسب ، از جمله روابط مشاهده شده بین ویسکوزیته و کشش سطحی در نانوسیالات مورد نظر محسوب می شوند

با توجه به این که شمار زیادی از پدیده های جهان هستی رفتار غیرمقداری از خود نشان می دهند و آمار بولتزمن-گیبس قادر به توصیف چنین سامانه هایی نیست ضرورت استفاده از آمار غیرمقداری تسالیس واضح و مبرهن است. در این راستا این پایان نامه به استخراج معادله حالت در این آمار می پردازد. در واقع اساس کار این تحقیق محاسبه تابع تقسیم، معادله حالت و خواص ترمودینامیکی برای گازهای ایده آل، سیال کره سخت و مدل لنارد-جونز در نسخه چهارم مکانیک آماری تسالیس در q های بزرگتر از یک است. نتایج این پژوهش نشان می دهدکه تعداد سطوح در دسترس در آمار تسالیس در تمامی مدل های مورد بررسی (q های بیشتر از یک) بیشتر از آمار بولتزمن-گیبس است. همچنین فاکتور تراکم پذیری گاز ایده آل در آمار تسالیس کمتر از آمار بولتزمن-گیبس است و این به دلیل قید انرژی در نظر گرفته شده برای بیشینه سازی آنتروپی در نسخه چهارم است. جالب است که انرژی گاز ایده آل در نسخه چهارم مکانیک آماری برابر با 3/2 nkt است. این نتیجه بدون نیاز به این که q به سمت یک میل کند به دست می آید. در بررسی مدل کره سخت نیز مشخص شد که انرژی داخلی این مدل نیز بدون نیاز به این که q به سمت یک میل کند برابر با 3/2 nkt است. همچنین فاکتور تراکم پذیری برای سیال کره سخت محاسبه شد که نتایج نشان داد در این مدل فاکتور تراکم پذیری در آمار تسالیس کمتر از فاکتور تراکم پذیری در آمار بولتزمن-گیبس است. سهم جاذبه انرژی داخلی سیال لنارد-جونز وابسته به شاخص آنتروپی به دست آمده است. همچنین در این مدل فاکتور تراکم پذیری در آمار تسالیس کمتر از فاکتور تراکم پذیری در آمار بولتزمن-گیبس است .

با توجه به اهمیت سیال‏های محدودشده در فضای نانو و همچنین کاربرد فراوان آنها در زمینه‏های مختلف علمی و صنعتی، هدف این پایان‏نامه مطالعه و بررسی برخی خواص ترمودینامیکی و دینامیکی این سامانه‏هاست. در این رساله با استفاده از دو روش ویریال و نظریه تابعی چگالی، فشار موضعی در این‏گونه سامانه‏ها مورد مطالعه قرار گرفته است. یکی از ویژگی‏های حائز اهمیت در این سامانه‏ها تنسوری بودن فشار در آنهاست. تنسور فشار دارای 9 مولفه به صورت است که می‏باشد. در نانوحفرات صفحه‏ای که محتوی سیال ساکن و دارای دیواره‏های بدون ساختار هستند مقدار متوسط مولفه‏های غیر قطری تنسور فشار صفر است و فشار در چنین سامانه‏‏هایی به صورت تنسور قطری است که دارای دو مولفه عمودی یا نرمال و جانبی است. در قسمت نخست این پایان‏نامه با استفاده از قضیه ویریال در مکانیک آماری و با توجه به رابطه تنش و نیرو، رفتار موضعی مولفه‏های نرمال و جانبی تنسور فشار در نانوحفره صفحه‏ای محاسبه و معادله‏ای کلی برای هر یک ارائه شده است که برای انواع پتانسیل‏های سیال-سیال و سیال-دیواره قابل حل است. لذا هر دو معادله برای سیال کره‏سخت به‏طور عددی حل شده است. نتایج به‏دست آمده نشان می‏دهد که در هر دو مولفه تنسور فشار با افزایش فاصله دو دیواره در نانوحفره، تعداد نوسان‏ها افزایش یافته اما از مقدار فشار و شدت نوسان‏ها کاسته شده است. همچنین هر دو مولفه عمودی و جانبی با افزایش چگالی توده‏ای و دما رفتار نوسانی مشابهی دارند اما نوسان‏های فشار عمودی شدیدتر از فشار جانبی است. از آنجا که این معادلات از مکانیک آماری استخراج شده است سهم انرژی جنبشی، سهم پتانسیل برهم‏کنش‏های بین مولکولی و همچنین سهم دیواره به‏طور مجزا در آنها قابل تحلیل و بررسی است. به منظور بررسی نقش نیروهای جاذبه در فشار موضعی، این معادلات با استفاده از نظریه اختلال برای سیال لنارد-جونز محدودشده نیز به‏طور عددی حل شده‏است. نتایج حاصل نشان‏دهنده رفتار نوسانی اما منفی سهم جاذبه در فشار است که این موضوع باعث کاهش فشار موضعی سیال لنارد-جونز نسبت به سیال کره‏سخت شده است. با توجه به سرعت و دقت نظریه تابعی چگالی در بخش بعدی این پایان‏نامه، معادله‏ای کلی مبتنی بر این نظریه برای پیش‏بینی مولفه‏های قطری تنسور فشار ارائه شده است. این معادله قابل استفاده برای انواع نانوحفره‏ها با اشکال هندسی مختلف و پتانسیل‏های بین مولکولی متنوع است. در این راستا از معادله اویلر-لاگرانژ و ارتباط آن با معادله نیروها استفاده شده است. در نانوحفره صفحه‏ای، با استفاده از این معادله، مولفه نرمال تنسور فشار قابل پیش‏بینی است که برای دو سیال کره‏سخت و لنارد-جونز حل شده است. فشار در نقطه مماس با دیواره با استفاده از این معادله در نانوحفرات صفحه‏ای با اندازه‏های مختلف به‏دست آمده که تطابق نسبتاً خوبی با نتایج شبیه‏سازی رایانه‏ای دارد. روند کیفی نتایج به‏دست آمده در این قسمت مطابق با نتایج به‏دست آمده از معادلات ویریال ارائه شده در بخش نخست پایان‏نامه است. در آخرین قسمت از پایان‏نامه نیز فرایند انبساط آزاد در سامانه کرات سخت خالص و مخلوط با استفاده از نسخه وابسته به زمان نظریه تابعی چگالی مطالعه شده است. نتایج این قسمت نشان می‏دهد که سیال کره سختی که به صورت ناهمگن و با ساختار لایه‏ای بین دو دیواره نانوحفره آرایش یافته، با حذف دیواره‏ها و پتانسیل خارجی آزادانه منبسط شده و آرایشی همگن و یکنواخت اختیار خواهد کرد.

هدف این پایان نامه پیش بینی فاکتور ساختار سیال محدود شده ی کربن دی اکسید در ناحیه ی بردار موج کم و مقایسه ی آن با سیال ماکروسکوپی co2 است. در این راستا ابتدا مقادیر i(0) سیال ماکروسکوپی و محدود شده را از برونیابی اطلاعات پراش نوترونی به دست آوردیم. مقادیر s(0) و s(q) با استفاده از روابط موجود در سامانه های ماکروسکوپی و محدود شده به دست آمد. با توجه به بزرگتر بودن مقادیر s(0) سیال محدود شده نسبت سیال ماکروسکوپی می توان نتیجه گرفت که همبستگی ها در سیال محدود شده از سیال ماکروسکوپی بیشتر است. در گام اول مدل rpa که قبلا برای پیش بینی s(q) سیال ماکروسکوپی ارائه شده بود را استفاده کردیم. این مدل تنها برای سیال ماکروسکوپی قابل استفاده بود و نتوانست ساختار سیال محدود شده را پیش بینی کند. بنابراین در ادامه ی این تحقیق سعی کردیم که با استفاده از مدل های مختلف برای تابع c(r)، ساختار سیال را پیش بینی کنیم. باید توجه داشت که مدل c(r) سیال محدود شده باید بتواند همبستگی های بیشتر در سیال محدود شده را نسبت به سیال ماکروسکوپی نشان دهد. بعد از مدل rpa مدل pymff را ارائه دادیم. این مدل در ناحیه ی بردار موج بسیار کم اصلا قادر به پیش بینی فاکتور ساختار نبود و افت و خیزهای فراوانی نشان داد. با توجه به اهمیت جاذبه در ناحیه ی q کم نتایج بررسی های ما نشان داد که این عدم تطابق ناشی ازکم بودن سهم همبستگی مثبت نسبت به منفی در این مدل می باشد. برای بهبود همبستگی مثبت به منفی، عامل اختلال را در پتانسیل تابع c(r) مدل pymff اعمال کردیم. این مدل اولین بار توسط کشاورزی- نیکوفرد برای پیش بینی فاکتور ساختار سامانه های ماکروسکوپی در ناحیه ی q کم ارائه شد. فاکتور ساختار محاسبه شده از این مدل به صورت کیفی توانست s(q) تجربی را در مورد سامانه های محدود شده پیش بینی کند. برای اینکه نتایج تطابق بهتری با مدل تجربی داشته باشد مدل کشاورزی-خانی1 را برای c(r) پیشنهاد دادیم. این مدل نسبت به مدل کشاورزی-نیکوفرد تا حدودی کارکرد بهتری برای سیال محدود شده داشت. به منظور مطابقت بهترنتایج برای سیال محدود شده مدل کشاورزی-خانی2 را برای c(r) ارائه دادیم. فاکتور ساختار محاسبه شده از این مدل برای سیال محدود شده بهترین مطابقت را با نتایج تجربی نشان داد.. این نتیجه با انتخاب شکل مناسبی از تابع c(r) به دست آمد به طوری که نسبت همبستگی مثبت به منفی را به بهترین شکل نشان دهد.

اخیراً مطالعه ی سیال های محدود شده در نانو حفره ها سطح وسیعی از تحقیقات تجربی، نظری و شبیه سازی های رایانه ای را به خود اختصاص داده است. می دانیم که توزیع سیال در مجاورت یک دیواره ی جامد ناهمگن است و خواص چنین سیالی اساساً متفاوت از سیال ماکروسکوپی است. نتایج این تحقیق که مبتنی بر محاسبات نظریه ی تابعی چگالی است. نشان مر دهد که توزیع ناهمگن سیال در نانو حفره ها و همچنین بروز خواص متفاوت این سیالات ناشی از وجود سه عامل اثرات سطحی، اثر محدودیت بر برد برهمکنش های بین مولکولی و اثر انتروبی است. با توجه به این عوامل و همچنین با استفاده از نظریه ی اختلال و تقریب جمع پذیر جفت گونه، معادله انرژی آزاد هلمهولتز برای پیش بینی رفتار این سیالات ارایه شده است. معادله ی ارایه شده به صورت عددی برای سیال محدود شده در نانو حفره ی صفحه ای حل شده است که با استفاده از آن تعادل های فازی، نقطه ی بحرانی و ضریب کم پذیری سیال را می توان پیش بینی کرد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که دمای بحرانی سیال تابعی از اندازه ی نانو حفره روند افزایشی دارد و در حالت حدی به مقدار ماکروسکوپی مانند خط زینو و قطرهای محدود به خط راست را نیز نشان می دهد. شیب خط زینو نیز با افزایش اندازه ی نانو حفره افزایش می یابد.

هدف این پایان نامه بررسی قواعد و اصول مشاهده شده در سامانه‏های ماکروسکوپی برای سامانه‏های محدود شده است. در این راستا قاعده‏ی قطر‏های محدود به خط راست و نمای بحرانی و شکل کلی تابع c(r) را برای این سیالات بررسی کردیم و تاثیر عوامل محدودیت شامل اندازه‏ی حفره، بر هم کنش سیال- دیواره و اثر انتروپی بر این قواعد مطالعه شد. در بررسی قاعده‏ی قطر‏های محدود به خط راست سیال لنارد جونز و آب محدود شده در نانو‏حفره‏ی صفحه‏ای انتخاب شد. نتایج به‏دست آمده حاکی از آن است که محدودیت باعث می‏شود این قاعده تا دمای کمتری نسبت به سامانه‏های ماکروسکوپی برقرار باشد. نهایتاً مشخص شد که عامل موثر روی قاعده دمای بحرانی است و هرچه دمای سامانه‏ی محدود شده به دمای بحرانی سامانه‏ی توده‏ای نزدیک‏تر باشد قاعده قطر‏های محدود به خط راست، تا دمای بالاتری برقرار است. در مرحله‏ی بعد به بررسی نماهای بحرانی پرداختیم. با بررسی نمای بتا به این نتیجه رسیدیم که تحت تاثیر عامل محدودیت پهنای منحنی هم‏زیستی و در نتیجه نمای بتا کاهش می‏یابد هم‏چنین این نما با دانسیته‏ی بحرانی نسبت معکوس دارد پس باید به برهم‏کنش سیال- سیال مرتبط باشد. البته نمای بتای محاسبه شده متفاوت از توده‏ی سیال می‏باشد و محدوده‏ی دمایی مورد مطالعه برای سامانه‏های محدود شده متفاوت از سامانه‏ی توده‏ای است. قسمت بعدی کار به محاسبه‏ی تابع همبستگی مستقیم برای سامانه‏های محدود شده اختصاص دارد. این کار از طریق اطلاعات تجربی تابع فاکتور ساختار و هم‏چنین با استفاده از روابط ریاضی مربوط به انجام شد. روند کلی این تابع شبیه به روند مشاهده شده برای سامانه‏های ماکروسکوپی بود. لذا کارایی تابع c(r)‏ ای را که قبلاً توسط کشاورزی و همکاران برای سامانه‏های ماکروسکوپی به ازای k‏های کم به‏دست آمده بود برای سیال دی اکسید کربن محدود شده امتحان کردیم. این تابع توانست اطلاعات s(k) را در k‏ های کم را در توافق خوبی با نتایج تجربی پیش‏بینی کند. از آنجا که خطا با تبدیل فوریه افزایش شدیدی می‏یابد بنابراین خطای موجود در محاسبه ی تابع c(r) بسیار کم است و این تابع قادر به پیش‏بینی تابع s(k) تجربی است.

اساس این تحقیق استفاده از فناوری نانو در کاهش اتلاف انرژی است که بخش مهمی از مطالعات عصر حاضر را به خود اختصاص داده است. کمیت مهمی که در این راستا به بررسی آن پرداخته شد هدایت گرمایی نانوسیالات می باشد که برای اندازه گیری آن از دستگاه kd2 استفاده شد. نانوسیالات مورد مطالعه عبارتند از آلومینا در آب، آهن در آب و آهن در اتیلن گلیکول که میزان هدایت گرمایی آنها نسبت به سیال پایه بررسی گردید. برای تهیه نانوسیال پایدار، مدت زمان بهینه موج دهی اولتراسونیک تعیین شد. همچنین با تعلیق نانوذرات آهن با سطح پوشش دار، به بررسی اثر پوشش دهی نانوذرات بر هدایت گرمایی نانوسیالات پرداخته شد. از آنجا که هدف اصلی در این تحقیق تهیه نانوسیالات پایدار با بیشینه هدایت گرمایی بود در تمامی مراحل، پایداری نانوسیالات مختلف نیز بررسی شد. در مرحله پایانی هدایت گرمایی مخلوط نانوسیالات و تغییرات آن با گذشت زمان مورد بررسی قرار گرفت.نتایج نشان می دهد که مدت زمان بهینه موج دهی برای نانوسیالات آلومینا در آب 5/4 ساعت است. همچنین مشخص شد در تمامی نانو سیالات اگرچه با افزایش کسر حجمی نانوذرات معلق شده هدایت گرمایی، بلافاصله پس از پایان موج دهی، افزایش می یابد ولی پایداری نانو سیالات رقیق تر بیشتر می باشد. همچنین مشاهده شد نانو سیالات حاوی نانو ذرات پوشش دار نسبت به نانو سیالات حاوی نانو ذرات با سطح آزاد از پایداری بیشتر و هدایت گرمایی کمتری برخوردارند. نتایج مربوط به مخلوط نانوسیالات نشان می دهد که هدایت گرمایی نانوسیال مخلوط، بلافاصله پس از موج دهی، از مجموع هدایت گرمایی نانوسیالات حاوی یک نوع نانوذره کمتر می باشد.

به دلیل اهمیت و کاربرد نانوذرات فلزی در اکثر شاخه های مرتبط با فناوری نانو تولید آنها با اندازه مشخص از اهمیت خاصی برخوردار است. در این پایان نامه تلاش شده است اثر ماده کلردار ، امواج مافوق صوت، سنتز در سیستم دو فازی، سورفکتانتهای مختلف، ویسکوزیته و انجام واکنش در حلال آلی بر اندازه ذرات تولید شده به روش تسهیم نامتناسب مطالعه شود. بررسی طیفهای پلاسمون و تصاویر sem نمونه ها ی تولید شده نشان داد که جایگزینی hcl با nacl و kcl می تواند اندازه ذرات تولید شده را کاهش دهد ولی نوع نمک تاثیر چندانی بر روی اندازه ذرات ندارد. همچنین سنتز این نانو ذرات در سیستمهای دو فازی مختلف شامل هگزان نرمال، کلروفرم و دی کلرومتان انجام شد. نتایج نشان دادند که واکنش در سیستم دو فازی هگزان نرمال کاهش بیشتری را در اندازه ذرات نسبت به کلروفرم و دی کلرومتان نشان داد. مقادیر و نوع سورفکتانتهای مختلف که شامل پلی وینیل الکل، سدیم اولیات و دودسیل بنزیل سولفونیک اسید بودند نیز در کاهش اندازه ذرات موثر بوده به طوریکه افزایش پلی وینیل الکل موجب بیشترین کاهش در اندازه ذرات شد. همچنین نتایج نشان داد و افزایش ویسکوزیته محلول می تواند در کاهش اندازه ذرات موثر باشد به طوریکه افزایش گلیسرول به محلول واکنش کاهش اندازه ذرات را در پی داشت. برای بررسی اثر حلال، انجام واکنش تسهیم نامتناسب به جای آب در حلال دی متیل سولفوکسید انجام شد. استفاده از این حلال در حضور اکسیژن منجر به تولید نانوپودر اکسید مس (ii) خالص و سنتز در اتمسفر ازت منجر به تولید نانوپودر مس شد.

در دهه های اخیر نانو ذرات مغناطیسی به علت رفتار سوپرپارامغناطیسی و تولید گرما برای نابودی سلولهای سرطانی مورد توجه بسیار قرار گرفته اند. در این تحقیق نانوذرات مگنتیت به روش همرسوبی تهیه و با چند ماده سازگار با محیط زیست شامل اولییک اسید، پالمینولییک اسید، لینولییک اسید و نشاسته پوشش دار شدند. همچنین اثر پوشش دو لایه ای اولییک اسید و نشاسته نیز بررسی شد. با توجه به طیف های زتاسایزر، sem، tga و vsm تهیه شده از ذرات fe3o4، وجود پوشش در سطح ذرات و سوپرپارامغناطیسی بودن اثبات گردید. اثر نوع پوشش در میزان مغناطش و اندازه ذرات پوشش دار شده نیز مشخص شد. سه اثر پوشش در اینجا قابل توجه است. اول اینکه پوشش با نشستن بر سطح نانوذرات مانع جاذبه های دوقطبی-دو قطبی نانو ذرات شده و از تجمع و کلوخه شدن آنها جلوگیری می کند. دوم اینکه چون درصدی از وزن نمونه را پوشش تشکیل می دهد لذا مقدار مغناظش اشباع که بر واحد جرم تعریف می شود را تغییر می دهد. سومین اثر پوشش بر ناهمسانگردی سطح است که معمولا پوشش تشکیل می دهد لذا مقدار مغناظش اشباع که بر واحد جرم تعریف می شود را تغییر می دهد. سومین اثر پوشش بر ناهمسانگردی سطح است که معمولا پوشش استفاده شده باعث افزایش ناهمسانگردی سطح می شود که نتیجه آن افزایش زمان آسایش نیل و در نهایت افزایش گرمای تولیدی توسط این ذرات است. در بین نمونه های پوشش دار شده با اسیدهای چرب، نمونه پوشش دار شده با لینولییک اسید به خاطر وجود دو باند دوگانه در ساختار مولکولی، تمایل بیشتری به چسبیدن به سطح نانوذرات دارد و با توجه به طیف tga این نمونه، به علت بالا بودن درصد پوشش مغناطش اشباع کاهش می یابد. بررسی رفتار دو نمونه پوشش دار شده با اولییک اسید و پالمیتولییک اسید نشان داد که این پوشش ها اثر مشابهی در رفتار مغناطیسی نانوذرات مگنتیت دارند. این مسیله با توجه به ساختار مولکولی مشابه این اسیدها و تفاوت ناچیز فقط در یک اتم کربن قابل انتظار می باشد. نمونه های پوشش دار شده با نشاسته تغییرات شدید در مغناطش اشباع نشان دادند که این مسیله با توجه به وزن مولکولی بالای نشاسته که درصد زیادی از وزن نمونه را تشکیل می دهد قابل توجیه است. در مجموع می توان گفت نوع پوشش استفاده شده اثر زیادی بر رفتار مغناطیسی ذرات و در نتیجه میزان گرمای تولیدی دارد.

نانو ذرات مغناطیسی آهن به عنوان هسته اصلی سیستم های تصفیه جدید جهت حذف آلودگی های آبهای زیرزمینی و فاضلاب های صنعتی به کار می رود. در این تحقیق از این نانو ذرات برای حذف آلاینده ی نیکل استفاده شده است. بدین منظور آزماشات به دو روش متفاوت طراحی و انجام شد. در روش اول ابتدا محلول های حاوی نیکل با مقادیر مختلفی از نانو پودر آهن مخلوط شدند و سپس محلول ها تحت تابش امواج فراصوت قرار گرفتند. بعد از مدت زمان های خاصی ذرات مغناطیسی توسط میدان مغناطیسی از محلول جدا شد و باقیمانده نیکل آنها توسط دستگاه اسپکتروفوتومتر جذب اتمی تعیین مقدار گردید. نتایج حاکی از آن می باشند که نانو ذرات آهن بازدهی بالایی برای حذف نیکل از آب را دارا می باشند به طوریکه حداکثر و حداقل بازده به ترتیب برای محلول 15ppm با 99/99% و 35ppm با 41% به دست آمد. برای سایر محلول ها (25pmm و 50pmm) بازده حذف به ترتیب برابر 54% و 46% می باشد. سپس در مرحله دوم با استفاده از پدیده اسمز فرآیند جداسازی انجام گرفت. با استفاده از پدیده اسمز سامانه ای شامل محلول نیکل در آب و نانو سیال آهن در آب که به وسیله یک غشاء نیمه تراوا جدا شده بودند طراحی شد. در این حالت شرایط طوری تنظیم گردید که آب موجود در محلول نیکل به علت داشتن پتانسیل بالاتر به سمت دیگر غشا حرکت کند و به این ترتیب از نیکل جدا شود. در نهایت به کمک خاصیت مغناطیسی می توان نانو ذرات را جدا کرد و آب خالص را به دست آورد.

هدف از تحقیق حاضر تهیه نانوسیال پایدار روغن و بررسی هدایت گرمایی، ویسکوزیته آن و همچنین اندازه گیری میزان سایش و ضریب اصطکاک سطوح در تماس با این نانوسیال است. نانو سیالات اکسید مس در روغن و اکسید تیتانیم در روغن با غلظت های مختلف تهیه و با استفاده از امواج فراصوتی پایدار شدند، س1س درصد افزایش هدایت گرمایی آنها نسبت به سیال پایه محاسبه گردید. همچنین تاثیر غلظت نانوذرات و زمان موج دهی بر هدایت گرمایی نانوسیالات نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از افزایش هدایت گرمایی نانوسیال با غلظت نانو ذرات است. همچنین مشخص شد که زمان موج دهی تاثیر بسیار زیادی در هدایت گرمایی نانوسیال دارد و زمان بهینه ای مطابق با بیشترین میزان افزایش هدایت گرمایی وجود دارد. اما این افزایش در هدایت گرمایی چندان پایدار نبود و بعد از گذشت 60 دقیقه از قطع موج دهی به شدت کاهش پیدا کرد. در مرحله بعد ویسکوزیته نانوسیالات اکسید تیتانیم، اکسید مس و مس در روغن با افزایش زمان موج دهی اندازه گیری و نشان داده شد که با افزایش زمان موج دهی به دلیل شکسته شدن نانو خوشه ها، ویسکوزیته نانوسیال کاهش می یابد. همچنین ویسکوزیته این نانوسیالات با افزایش دما بررسی و نشان داده شد که ویسکوزیته نانوسیال، مشابه با ویسکوزیته سیال، با افزایش دما کاهش می یابد و شیب این کاهش برای سیال و نانو سیال در محدوده غلظت مورد مطالعه یکسان است. با اندازه گیری اثر شدت برشی بر ویسکوزیته سیال پایه و نانوسیال با کسر حجمی 1/0 تا 65/0 درصد حجمی، نیوتنی بودن رفتار سیال و این نانوسیالات برای دور موتورهای بیشتر از 3 دور بر دقیقه مشخص شد. در مرحله نهایی برای بررسی اثر نانو ذرات برسایش (اثر ترمیمی نانو ذرات) و ضریب اصطکاک سطوح در تماس با نانو سیالات روغن از دستگاه پین روی دیسک استفاده شد. نتایج نشان داد که نانو ذرات موجود در روغن موجب کاهش ضریب اصطکاک و کاهش سایش دو سطح در تماس با یکدیگر می شوند. این آزمایشات برای سیال روغن و نانوسیال اکسید تیتانیم در سه غلظت 1/0، 3/0 و 5/0 درصد حجمی و نانوسیالات اکسید مس و مس با غلظت 3/0 درصد حجمی انجام شد که کمترین میزان سایش برای غلظت 3/0 درصد حجمی اکسید تیتانیم به دست آمد. همچنین نتایج نشان داده شد که سطح آغشته به نانوسیال مس بیشترین میزان کاهش ضریب اصطکاک را نسبت به سطح آغشته به روغن بدون نانو ذره دارد.

با توجه به اهمیت وکاربرد های فراوان نانوذرات مس در صنایع گوناگون، در این پایان نامه برای اولین بار سنتز نانوذرات مس به روش تسهیم نامتناسب انجام شد. در این روش با استفاده از مکانیسم انتقال الکترون در فضای داخلی، یون cu+را در محیط تولید کرده و سپس با استفاده از تسهیم نامتناسب آن، ذرات مس سنتز شد. به منظور کاهش اندازه ذرات مس سنتز شده به بررسی اثر عواملی از قبیل دما، غلظت لیگاند و ph پرداخته شد. بعد از آن اثر فعال کننده سطحی سدیم لورات وپلیمر غیر یونی پلی اتیلن گلیکول روی اندازه ذرات مس سنتزی مورد بررسی قرار گرفت، که از بین عوامل فوق افزایش سدیم لورات تأثیر بسزائی در کاهش اندازه ذرات داشت. همچنین سنتز نانو ذرات مس در سیستم دوفازی بدون فعال کننده سطحی انجام شدکه در این حالت اندازه ذرات سنتزی به شدت کاهش یافته وتوزیع ذرات نیز باریکتر گردید. پس از سنتز نانو ذرات مس با توجه به کاربرد های آن به بررسی معلق سازی این نانوذرات در سیالهائی از قبیل آب، اتیلن گلیکول، روغن موتور40 و روغن ترانس پرداخته شد. به منظور افزایش پایداری تعلیق نانوذرات مس در روغن ترانس و اتیلن گلیکول از اسید اولئیک به عنوان ماده معلق کننده استفاده گردید.

در این تحقیق سیال لنارد- جونز محدود شده در نانو حفره ی صفحه ای باز مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج این تحقیق که مبتنی بر شبیه سازی دینامیک مولکولی است، نشان می دهد که توزیع سیال در این نانوحفره ها ناهمگن است و تمایل مولکول های سیال برای قرار گرفتن در مجاورت دیواره ها بسیار زیاد است. این تمایل حتی در مواردی که بین مولکول های سیال و دیواره نیروی جاذبه ای وجود نداشته باشد نیز مشاهده می شود. تمایل به آرایش در کنار دیواره ها و در نتیجه توزیع ناهمگن باعث افزایش انتروپی سامانه و پایداری آن می شود. در این تحقیق تأثیر دما، چگالی، فاصله ی بین دو صفحه ی نانوحفره و برهمکنش سیال- دیواره در توزیع ناهمگن ذرات و چگالی سیال محدود شده مورد مطالعه قرار گرفته است. چگالی سیال محدود شده در نانوحفره ی صفحه ای باز از تعادل آن با سیال توده ای تخمین زده می شود که معمولاً متفاوت از سیال توده ای است. این چگالی با افزایش دما کاهش و با افزایش چگالی سیال توده ای، افزایش می یابد. برهمکنش های سیال- دیواره نیز در چگالی سیال محدود شده نقش بسیار مهمی دارد. اهمیت این برهمکنش ها به حدی است که با افزایش جاذبه ی بین مولکول های سیال- دیواره، مولکول های سیال در نزدیکی دیواره ها رفتار شبیه به جامد از خود نشان می دهند و یا تنها اجازه ی حرکت در یک صفحه به موازات دیواره ها را دارند. در پایان کمیت جذب افزوده که نشانگر تمایل ذرات به ورود یا خروج از نانوحفره است، مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که در مواردی که فاصله ی بین دو صفحه مضرب صحیحی از قطر مولکول ها باشد مولکول ها تمایل شدیدی به ورود به داخل نانوحفره دارند. درنتیجه چگالی سیال محدود شده نسبت به سیال توده ای افزایش می یابد و در مواردی که h/?نیمه صحیح باشد، این تمایل به کمترین مقدار خود می رسد.

نانولوله های کربنی به دلیل ساختار و خواص منحصر به فرد، کاربردهای گسترده ای در علوم و صنایع دارندکه هدایت گرمایی زیاد نانولوله ها نیز از جمله این خواص است. در این تحقیق نانوسیال با هدایت گرمایی زیاد با استفاده از نانولوله های کربنی چندجداره در آب تهیه شده است. نکته حائز اهمیت در مورد این نانوسیالات ، ایجاد تعلیق پایدار و همگن است که به علت تجمع نانولوله ها کار دشواری است. برای ایجاد تعلیق پایدار و همگن از نانولوله ها در آب، از فرایند جوشاندن نانولوله ها با مخلوط اسید برای ایجاد گروه های کربوکسیلیک و از جوشاندن نانولوله ها در محلول آب اکسیژنه برای ایجاد گروه های هیدروکسیلیک استفاده شد. هم چنین به منظور معلق سازی بهتر نانولوله ها از موج دهی فراصوتی برای تهیه نانوسیال استفاده شد. آزمایشات نشان می دهد که هدایت گرمایی نانوسیال حاوی نانولوله های هیدروکسیله در آب از نانوسیال نانولوله های کربوکسیله در آب بیشتراست. هم چنین تاثیر غلظت نانولوله های کربنی و زمان موج دهی بر هدایت گرمایی نانوسیال ها نیز مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاکی از افزایش هدایت گرمایی نانوسیال با غلظت نانولوله ها است. هم چنین مشخص شد که زمان موج دهی تاثیر بسیار زیادی در هدایت گرمایی نانوسیال دارد و زمان بهینه ای مطابق با بیشترین میزان افزایش هدایت گرمایی وجود دارد. زمان بهینه موج دهی با افزایش غلظت نانولوله های کربنی از 02/0 تا 1/0 درصد وزنی از 30 دقیقه به 10 دقیقه کاهش یافت ولی در محدوده غلظت 1/0 تا 2/0 درصد وزنی مستقل از غلظت بود. تصاویر sem نشان می دهد که تشکیل شبکه های منظم از نانولوله های منفرد در زمان بهینه موج دهی باعث افزایش شدید هدایت گرمایی و پایداری نانوسیال می شود. به منظور مطالعه پایداری نانوسیال ها، هدایت گرمایی آنها با گذشت زمان نیز مورد مطالعه قرار گرفت. اگر چه هدایت گرمایی نانوسیال بلافاصله پس از موج دهی با افزایش غلظت نانولوله ها افزایش یافت ولی نانوسیال های رقیق تر پایدارتر بودند. در مرحله نهایی، هدایت گرمایی نانوسیال مخلوط نانولوله های کربنی و اکسیدتیتانیوم بررسی شد. نانوذرات اکسیدتیتانیوم به جداره های نانولوله های کربوکسیله متصل شده و باعث باز شدن نانولوله ها وافزایش شدید هدایت گرمایی نانوسیال مخلوط نسبت به نانوسیال حاوی نانولوله های کربنی در آب می شود . ولی نانولوله های هیدروکسیله به دور ذرات اکسید تیتانیوم پیچیده و هدایت گرمایی نانوسیال را کاهش می دهند. نانوذرات اکسید تیتانیوم هم چنین می توانند به انتهای نانولوله ها نیز متصل شوند ولی این اتصال نیز باعث کاهش هدایت گرمایی نانوسیال می شود . به نظر می رسد که این اتصالات فقط با اعمال حرارت به مخلوط نانولوله ها و نانوذرات اکسیدتیتانیوم امکان پذیر است.

بررسی ذرات میله ای سخت محدود شده در فضای نانومتری دارای اهمیت فراوانی در درک بهتر رفتار پلیمرهای خطی است. درواقع مطالعه ی این ذرات به دلیل شباهت به پلیمرهای خطی، می تواند راهگشایی خوب، برای حل خواص ترمودینامیکی این گونه سامانه ها باشد. بدین منظور در این پایان نامه به مطالعه و بررسی ساختار تعادلی و غیر تعادلی ذرات میله ای سخت محدود شده در جعبه ی یک بعدی با ابعاد نانومتری پرداختیم. برای بررسی ساختار تعادلی این ذرات از نظریه ی تابعی چگالی مستقل از زمان و برای بررسی چگونگی رسیدن به تعادل آن ها از نظریه ی تابعی چگالی دینامیکی، ddft ، استفاده کردیم. برای این کار پتانسیل های مختلفی را روی این ذرات اعمال کردیم و تابع توزیع تک ذره ای آن ها را محاسبه کردیم. نتایج این پایان نامه نشان داد که تابع توزیع این سامانه به دلیل محدود بودن ذرات، ناهمگن بوده و رفتار نوسانی دارد. این رفتار نوسانی به عوامل مختلفی مانند تعداد ذرات، طول جعبه و پتانسیل اعمالی بستگی دارد. به طوری که با افزایش طول جعبه و کاهش تعداد ذرات این ناهمگنی کاهش می یابد. نحوه ی توزیع ذرات در داخل جعبه در اثر رقابت بین دو عامل انتروپی و انرژی قابل تفسیر است. همچنین با اعمال پتانسیل های مختلف، شامل نوسانگر هماهنگ، نوسانگر ناهماهنگ و یوکاوا به ذرات در داخل جعبه نشان دادیم که بسته به نوع پتانسیل اعمالی، عامل انتروپی و یا عامل انرژی نقش تعیین کننده ای در توزیع ذرات دارند. برای بررسی دینامیک ذرات میله ای سخت از معادله ی اساسی ddft که توسط مارکونی و تارازونا بهبودیافته است استفاده کردیم و توزیع ذرات را باگذشت زمان مطالعه کردیم. بررسی ها نشان داده اند که در مواردی که توزیع اولیه ی ذرات خیلی دور از تعادل نباشد، با ثابت در نظر گرفتن ضریب نفوذ به راحتی می توان به حالت نهایی با استفاده از ddft دست یافت. ولی در مواردی که توزیع اولیه به شدت غیرتعادلی باشد حتماً باید وابستگی زمانی ضریب نفوذ لحاظ شود.

چکیده می دانیم که امروزه مطالعهی ساختار و خواص سطحی و ترمودینامیکی سیالات محدود شده در نانوحفرات سه بعدی به علت کاربردهای فراوان صنعتی و غیر صنعتی آنها از اهمیت ویژهای در تمامی زمینهها برخوردار است. لذا این رساله به بررسی ساختار و خواص سیالات محدود شده درون نانوحفراتی با تقارن کروی اختصاص یافته است. برای مطالعه ی سامانه های مختلف از نسخه ی بسیار کارآمدmfmt نظریه ی تابعی چگالی استفاده شده است. در فصل نخست، در ابتدا افزایش یک ذره ی کروی در اندازه های کوچک تر از اندازه ی مولکول های سیال، در مرکز نانوحفره کروی بر ساختار و خواص ترمودینامیکی سیال محدود شده مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج محاسبات نشان می دهند که با افزایش ذره ی کروی و ثابت کردن آن در مرکز نانوحفره ی کروی یک حجم مستثنی شده پیرامون ذرهی کروی ایجاد میشود که به شدت خواص ترمودینامیکی سیالات محدود شده را به علت عامل آنتروپی و انرژی ناشی از حضور این حجم تحت تاثیر قرار میدهد. نتایج محاسبات دانسیتهی میانگین سیال دویوکاوا نشان از وجود گذار فاز از حالت شبه گازی به حالت شبه مایع در برخی شرایط ترمودینامیکی دارد. مقایسه نمودارهای گذار فازی سیال درون نانوحفره کروی با سیال درون نانوحفره ی کروی در حضور ذره در مرکز نانوحفره نشان میدهد که با قرار دادن این ذره ی کوچک در مرکز نانوحفره یک جهش در مکان(دانسیته ی تودهای) گذار فاز نسبت به کره ی توخالی نشان می دهد. همچنین با قرار دادن این ذره در مرکز نانوحفره به علت وجود آمدن عامل آنتروپی و قطع شدن بخشی از برهم کنش های بین مولکولی روی ذره ی کروی، قطره ی مایع ایجاد درون نانوحفره ی کروی توخالی تحلیل رفته و داخل نانوحفره پخش می شود. در بخش بعدی این فصل توابع دانسیتههای وزنی برای سامانههای با تقارن کروی پیرامون نانوحفره ی کروی با شعاع های کوچک تر از شعاع های مولکولی و درون نانوحفرات کروی محاسبه گردیده است. سپس ساختار سیالات محدود شده درون نانوحفره ی تشکیل شده بین دو کره ی هم مرکز مورد مطالعه قرار گرفته است. بررسی ها حاکی از آن است که ساختار و خواص سیالات درون نانوحفره از عامل آنتروپی و انرژی تعیین می گردد. نتایج نشان می دهد که عامل انرژی به علت نادیده گرفتن بخشی از برهم کنش های بین مولکولی ساختار سیال و به تبع آن مقادیر دانسیته های نقطه ی برخورد برروی هر دو دیواره را دچار تغییرات اساسی می کند. به طوری که با بیشینه شدن نقش عامل انرژی نسبت به عامل آنتروپی دانسیته ی نقطه ی برخورد کنار دیواره ی محدب بیشتر از دیواره ی مقعر می شود و بلعکس با بیشینه شدن نقش عامل آنتروپی نسبت به عامل انرژی دانسیته ی نقطه ی برخورد کنار دیواره ی مقعر بیشتر از دیواره ی محدب می شود. یافته های این بررسی حاکی از وجود گذار فاز سیال گاز مانند به مایع مانند به علت انحنای دیواره های نانوحفره است. به طوری که با ثابت کردن اندازه ی کره ی داخلی و با افزایش اندازه ی نانوحفره این گذار فازی اتفاق می افتد. در فصل بعدی این رساله اثرات محدودیت سه بعدی و شرایط ترمودینامیکی بر وارونگی جمعیت، جذب گزینشی و جدایی فاز مخلوط دوتایی سیال لنارد-جونز مورد مطالعه قرار گرفته است. مطالعات ما در این فصل نشان می دهد که عوامل آنتروپی و انرژی بهینه باعث جذب گزینشی گونه ی کمتر با برهم کنش های ضعیف تر و اندازه ی بزرگ تر در سیال توده ای به داخل نانوحفره ی کروی و در نتیجه بروز پدیده ی وارونگی جمعیت در این سامانه ها می شود. مطالعات ما نشان می دهد که با تعیین بهینه شرایط ترمودینامیکی از قبیل دما نسبت اندازه ی دو ذره و اندازه ی نانوحفره ی کروی می توان باعث جذب گزینشی یک گونه به داخل نانوحفره و در نتیجه جداسازی گزینشی شد. با انتخاب بهینه این عوامل می توان به شرایطی دست یافت که جدایی دو گونه درون نانوحفره به صورت تمایل یک گونه به دیواره و گونه ی دیگر به مرکز نانوحفره همراه باشد و یا حتی حالتی را به وجود آورد که دو گونه به صورت لایه ای یک درمیان از هم جدا شوند. در نهایت به بررسی تاثیر نوع برهم کنش های سیال-سیال و سیال-دیواره و انحنا و جهت انحنای دیواره بر کمیت های کشش بین سطحی و جذب افزوده در همسایگی دیواره ی نانوحفره ی کروی پرداخته شده است. هدف اصلی بررسی روند تغییرات کشش بین سطحی و جذب افزوده ی سیالات در دو سوی دیواره ی نانوحفره کروی با تغییرات انحنای دیواره ی نانوحفره است. نتایج این فصل نشان می دهند رفتار کیفی و روند تغییرات کشش بین سطحی و جذب افزوده ی سیالات وابسته به جهت انحنای دیواره است. در حالی که علامت این کمیت ها برای هر دو سوی دیواره یکسان است. بررسی ها حاکی از وجود یک رابطه ی خطی بین کشش بین سطحی سیالات در دو سوی دیواره و همچنین جذب افزوده ی سیالات در دو سوی دیواره است. علاوه براین مطالعات نشان می دهد که این رابطه خطی بین کشش بین سطحی و جذب افزوده در هر سوی دیواره همواره برقرار است.

همان طوری که آشکار است، خواص ترمودینامیکی اطلاعات با ارزشی درباره نیروهای بین مولکولی می دهد و ما می توانیم این اطلاعات را از طریق روش وارونگی به دست آوریم. تاکنون نتایج متفاوتی برای پارامترهای پتانسیل موثر جفت به دست آمده است. این عدم تطابق نتایج به تفاوت میان تقریبهای موجود در روشهای وارونگی مربوط است. در این مطالعات ما وابستگی پارامترهای پتانسیل موثر جفت به شرایط ترمودینامیکی را از طریق تعریف کمیت جدیدی به نام ضریب دوم ویریال موثر به دست آوردیم. به این ترتیب این وابستگی پارامترهای پتانسیل موثر جفت به شرایط ترمودینامیکی، ‏‎ (t, )‎‏ و ‏‎ (t, )‎‏، برای فازهای گاز و مایع و حالت فوق بحرانی برای انواع سیالات به دست آمده است. در مدل ما، فرض شده است که انرژی پتانسیل پیکربندی بین ‏‎n‎‏ مولکول می تواند به خوشه های دوتایی مستقل با پتانسیل موثر جفت (با پارامترهای حالت مستقل) تقسیم شود. نتایج نشان می دهد که ‏‎ (t, )‎‏ با افزایش دانسیته برای شرایط ترمودینامیکی که فقط برهم کنش جفت در سیستم مهم است، افزایش می یابد. در حالیکه با افزایش دانسیته وقتی که بر هم کنشهای سه تایی و بیشتر برتری دارند، با دانسیته کاهش می یابد. ‏‎ (t, )‎‏ و ‏‎ (t, )‎‏ هر دو با افزایش دما کاهش می یابد که نتیجه ای مشابه با نتایجی است که قبلا به دست آمده است. نکته جالب در این کار تعیین، دانسیته ای است که در آن برهم کنشهای سه تایی، یا به عبارتی خوشه های سه تایی در سیستم شروع به بوجود آمدن می کنند.

می دانیم که ساختار سیالات چگال از نیروهای دافعه بین مولکولی معین می شود و نیروهای جاذبه تنها حجم سیال را معین می کنند. در چنین شرایطی رفتار سیالات واقعی بسیار شبیه به رفتار سیالات متشکل از کرات سخت است. در این پایان نامه نشان داده ایم که رفتار شبه سخت سیالات واقعی از دانسیته مربوط به نقطه کشیدگی مشترک هر سیال آغاز می شود. برای اثبات این ادعا نشان داده ایم که فاکتور ساختار سیال، به عنوان یک تابع کلیدی در نظریه مایعات، با استفاده از معادله پرکوس-ایویک برای تابع همبستگی مستقیم سیالات کرات سخت قابل محاسبه است. همچنین ما توانسته ایم تابع همبستگی جفت موثر در نقطه تماس، ‏‎geff‎‏، را برای سیالات واقعی مشابه با سیال کره سخت معرفی نمائیم و عبارت تحلیلی برای آن بدست آورده ایم که قانون حالات متناظر جدیدی را برای سیالات واقعی بیان می کند که قابل قیاس با قانون حالات متناظری است که ایم-سانگ و میسن، ‏‎ism‎‏ برای تابع همبستگی موثر جفت در نقطه تماس ارائه نمودند. در این مطالعه ما بر اساس رفتار شبه سیالات واقعی در دانسیته های بالا، معادله حالت شبه سخت، ‏‎hleos‎‏، را ارائه نموده ایم. همچنین نشان دادیم که معادله حالت ‏‎hleos‎‏، قادر است خواص ترمودینامیکی سیالات غیر قطبی، قطبی، و سیالاتی با پیوندهای هیدروژنی ‏‎(h2o, c2h5oh, co, dmb, c2h4, n2, ch4, xe, ar)‎‏ را با دقت بسیار خوبی پیش بینی کند. معادله حالت ‏‎hleos‎‏ دو پارامتر وابسته به دما دارد که به ترتیب به دافعه نرم و سخت منحنی پتانسیل مربوط می شوند. این معادله حالت قادر است که قواعد تجربی شناخته شده نظیر نقطه تراکم پذیری مشترک و همچنین نقطه ضریب کشیدگی کاهش یافته مشترک را در توافق بسیار خوبی با تجربه پیش بینی کند. ما همچنین کارایی معادله حالت ‏‎hleos‎‏ را در پیش بینی دانسیته سیالات با دو معادله حالت شناخته شده، قاعده همدمای خطی، ‏‎lir‎‏ و معدله حالت سیستم های چگال، ‏‎dseos‎‏، مقایسه نمودیم و نشان دادیم که موفقیت ‏‎hleos‎‏ در پیش بینی خواص ترمودینامیکی و قاعده های سیالات چگال بسیار چشمگیر است.

یکی از روشهای نوین بررسی سیالات استفاده از توابع توزیع است. یکی از مهمترین توابع توزیع که برای این منظور به کار می رود ، تابع توزیع شعاعی جفت است. این تابع یک تابع کلیدی درترمودینامیک آماری است که با داشتن آن و فرض جمع پذیر جفت گونه برای پتانسیل پیکربندی می توان تمام خواص ترمودینامیکی سیالات را محاسبه نمود.