Structural effects in the ultrasonic absorption of liquid mixtures

Summary

Experiments have been performed to clarify the behavior of those binary liquid mixtures where the ultrasonic absorption coefficient has a maximum at an intermediate concentration. Measurements on watermethyl alcohol mixtures at − 10 °C and − 32 °C have shown that a maximum of the absorption coefficient is present just as in the other water-alcohol systems. This corroborates Storey’s theory that the losses are caused by relaxation phenomena due to alteration of the molecular association equilibrium produced by temperature variations. Research on mixtures of partially soluble liquids in the critical region permits an approximate calculation of the increase of viscosity losses produced by the density fluctuations in the liquid. This calculation shows that while the viscosity losses can be much greater than those given by Stokes formula, they are not sufficient to explain the values of the experimental absorption coefficient. The relaxation phenomena in the equilibrium among mother phase and custers are the more important dissipative effects. The conclusion is reached that in all these mixtures having a maximum of the absorption coefficient, the losses are caused primarily by relaxation phenomena due to the variation of the equilibrium among different ways in which molecules of the two kinds can associate. The equilibrium is altered by the temperature variations produced by sound waves.

Riassunto

Una indagine sperimentale ed alcuni calcoli teorici sono stati condotti allo scopo di chiarire le cause di assorbimento ultrasonoro in alcune mescolanze liquide binarie nelle quali si è riscontrato che il coefficiente di assorbimento presenta un massimo in funzione della concentrazione. Una importante categoria di mescolanze di questo tipo è costituita da sistemi formati da acqua ed alcuni alcool. Una apparente anomalia era costituita dal fatto che l’assorbimento ultrasonoro nel sistema acqua-alcool metilico sembrava presentare un andamento, in funzione della concentrazione, diverso da quello che esso ha nelle mescolanze di acqua e di uno degli alcool etilico, propilico, etc.. Ricerche a temperature notevolmente inferiori a quelia ambiente hanno mostrato che nella mescolanza acqua-alcool metilico un massimo del coefficiente di assorbimento si presenta come nelle altre mescolanze acqua-alcool. Tali risultati confermano la teoria proposta daL. R. O. Storey per spiegare il massimo del coefficiente di assorbimento ultrasonoro nei sistemi formati da liquidi polari. Secondo tale teoria esisterebbero nel liquido associazioni molecolari formate da molecole dei due tipi ed il loro equilibrio verrebbe alterato dalle variazioni di temperatura che accompagnano le onde sonore. Si originano così fenomeni di rilassamento che conducono a dissipazioni energetiche. Si è indagato inoltre sull’assorbimento ultrasonoro in mescolanze di liquidi parzialmente miscibili, nella regione critica. Il liquido è qui costituito da una madre fase nella quale sono dispersi agglomerati (clusters) di molecole dei due tipi in numero e rapporto differenti. È stato condotto un calcolo approssimato dell’aumento delle dissipazioni per viscosità causate dalla eterogeneità del liquido. Tali dissipazioni, pur potendo in certi campi di frequenza, superare notevolmente quelle indicate dalla formula di Stokes per liquidi omogenei, non sono sufficienti a spiegare il coefficiente di assorbimento ultrasonoro trovato sperimentalmente. Anche in tali mescolanze pertanto, la causa principale delle dissipazioni energetiche è da individuarsi in fenomeni di rilassamento prodotti dalle variazioni di temperatura che accompagnano le onde e che alterano gli equilibri degli agglomerati sia fra loro che con la madre fase. Si giunge quindi alla conclusione che, in tutti i sistemi binari del tipo esaminato, le dissipazioni sono essenzialmente prodotte da fenomeni di rilassamento dovuti alla variazione dell’equilibrio fra varie forme nelle quali molecole dei due componenti possono trovarsi unite. La variazione dell’equilibrio è causata dalle variazioni di temperatura che accompagnano il propagarsi delle onde ed i fenomeni possono essere descritti per mezzo di un calore specifico variabile con la frequenza.