An experimental study of the mobility of edge dislocations in pure copper single crystals

The velocity of selectively-introduced edge dislocations in 99.999 percent pure copper crystals has been measured as a function of stress at temperatures from 66°K to 373°K by means of a torsion technique. The range of resolved shear stress was 0 to 15 megadynes/ cm^2 for seven temperatures (66°K, 74°K, 83°K, 123°K, 173°K, 296°K, 296°K, 373°K.

Dislocation mobility is characterized by two distinct features; (a) relatively high velocity at low stress (maximum velocities of about 9000 em/sec were realized at low temperatures), and (b) increasing velocity with decreasing temperature at constant stress.

The relation between dislocation velocity and resolved shear stress is:

v = v_o(τ_r/τ_o)^n

where v is the dislocation velocity at resolved shear stress τ_r, v_o is a constant velocity chosen equal to 2000 cm/ sec, τ_o is the resolved shear stress required to maintain velocity v_o, and n is the mobility coefficient. The experimental results indicate that τ_o decreases from 16.3 x 10^6 to 3.3 x 10^6 dynes/cm^2 and n increases from about 0.9 to 1.1 as the temperature is lowered from 296°K to 66°K.

The experimental dislocation behavior is consistent with an interpretation on the basis of phonon drag. However, the complete temperature dependence of dislocation mobility could not be closely approximated by the predictions of one or a combination of mechanisms.

Experimental study of the upper hybrid echo in plasmas

The two-pulse stimulated radiation of dense (10^9/cm^3 < ne ≤ 10^(11) /cm^3) nonuniform neon and argon afterglow plasma columns longitudinally immersed in a magnetic field is studied. The magnetic field is very homogeneous over the plasma volume (∆B/B~.01%). If the S-band microwave pulses' center frequency is such that they resonantly excite a narrow band of plasma upper hybrid oscillations close to the maximum upper hybrid frequency of the column, strong two pulse echoes are observed. This new echo process is called the upper hybrid echo. The echo spectrum, echo power and echo width were studied as a function of the pulse peak power P, pulse separation τ, relative density (ω_(po)/ω)^2, and relative cyclotron frequency (ω_c/ω). The complex but systematic variations of the echo properties as a function of the above-mentioned parameters arc found to be in qualitative agreement with those predicted by a theory of Gould and Blum based upon a simple nonuniform unidimensional cold plasma slab model. The possible effects of electron neutral and electron ion collisions not retained in the theoretical model are discussed.

The existence of a new type of cyclotron echo, different from that of Hill and Kaplan and not predicted by the Blum and Gould model is documented. It is believed to be also of a collective effect nature and can probably be described in terms of a theory retaining some hot plasma effects.

Experimental and theoretical developments in extended x-ray absorption fine structure (EXAFS) spectroscopy

To obtain accurate information from a structural tool it is necessary to have an understanding of the physical principles which govern the interaction between the probe and the sample under investigation. In this thesis a detailed study of the physical basis for Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS) spectroscopy is presented. A single scattering formalism of EXAFS is introduced which allows a rigorous treatment of the central atom potential. A final state interaction formalism of EXAFS is also discussed. Multiple scattering processes are shown to be significant for systems of certain geometries. The standard single scattering EXAFS analysis produces erroneous results if the data contain a large multiple scattering contribution. The effect of thermal vibrations on such multiple scattering paths is also discussed. From symmetry considerations it is shown that only certain normal modes contribute to the Debye-Waller factor for a particular scattering path. Furthermore, changes in the scattering angles induced by thermal vibrations produces additional EXAFS components called modification factors. These factors are shown to be small for most systems.

A study of the physical basis for the determination of structural information from EXAFS data is also presented. An objective method of determining the background absorption and the threshold energy is discussed and involves Gaussian functions. In addition, a scheme to determine the nature of the scattering atom in EXAFS experiments is introduced. This scheme is based on the fact that the phase intercept is a measure of the type of scattering atom. A method to determine bond distances is also discussed and does not require the use of model compounds or calculated phase shifts. The physical basis for this method is the absence of a linear term in the scattering phases. Therefore, it is possible to separate these phases from the linear term containing the distance information in the total phase.

Determinação da viscosidade de misturas assimétricas em alta pressão usando regras de mistura

O conhecimento de propriedades de transporte de misturas a diferentes pressões e temperaturas é importante em projetos, operação, controle e otimização de processos industriais. Nestes processos, frequentemente, o fluido é uma mistura binária ou multicomponente de hidrocarbonetos, como fluidos de petróleo. Propriedades experimentais de misturas, especialmente, a viscosidade absoluta como função de temperatura e pressão, podem fornecer importantes informações sobre o comportamento do fluido em diferentes composições e são usadas no desenvolvimento de modelos e correlações e na caracterização de misturas complexas. Diversas regras de mistura têm sido propostas na literatura para cálculo de viscosidade de misturas. Estas regras de mistura preveem o comportamento da mistura à pressão atmosférica usando propriedades dos componentes puros. Porém, em diversas aplicações é necessário estimar a viscosidade de misturas a altas pressões. Neste estudo, foram avaliadas regras de mistura comumente usadas como Refutas, Fator de Mistura, Índice de Mistura, Grunberg e Nissan, Kendall-Monroe e Eyring bem como Aditividade Molar, usando dados de viscosidade experimental de misturas em altas pressões. Inicialmente, foram realizadas medidas de viscosidade absoluta para a mistura altamente assimétrica de ciclohexano e n-hexadecano na faixa de temperatura entre (318,15 a 413,15) K e pressões até 62,053 MPa e, para este sistema, um modelo foi proposto para cálculo dos componentes puros para dada temperatura e pressão. Além disso, dados experimentais de viscosidade de trinta misturas cujos componentes diferem em forma, tamanho ou flexibilidade foram selecionados na literatura e modelados empregando-se regras de mistura. As viscosidades das misturas foram estimadas a partir de dados de viscosidade experimental dos componentes puros medidos nas mesmas temperaturas e pressões. A altas pressões, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura apresentaram os melhores resultados para todos os sistemas estudados. Mesmo para moléculas bastante assimétricas, Refutas, Fator de Mistura e Índice de Mistura podem ser usados.

Avaliação de Correlações e Equações de Estado para Determinação de Fatores de Compressibilidade de Gás Natural

O fator de compressibilidade (Z) de gás natural é utilizado em vários cálculos na engenharia de petróleo (avaliação de formações, perda de carga em tubulações, gradiente de pressão em poços de gás, cálculos de balanço de massa, medição de gás, compressão e processamento de gás). As fontes mais comuns de valores de Z são medições experimentais, caras e demoradas. Essa propriedade também é estimada por correlações empíricas, modelos baseados no princípio dos estados correspondentes ou equações de estado (EOS). Foram avaliadas as capacidades das EOS de Soave-Redlich-Kwong (SRK), Peng-Robinson (PR), Patel-Teja (PT), Patel-Teja-Valderrama (PTV), Schmidt-Wenzel (SW), Lawal-Lake-Silberberg (LLS) e AGA-8 para previsão desta propriedade em aproximadamente 2200 pontos de dados experimentais. Estes pontos foram divididos em quatro grupos: Grupo 1 (Presença de frações C7+, Grupo 2 (temperaturas inferiores a 258,15 K), Grupo 3 (pressões superiores a 10000 kPa) e Grupo 4 (pressões inferiores a 10000 kPa). Os cálculos utilizando as equações de estado sob diferentes esquemas de previsão de coeficientes binários de interação foram cuidadosamente investigados. Os resultados sugerem que a EOS AGA-8 apresenta os menores erros para pressões de até 70000 kPa. Entretanto, observou-se uma tendência de aumento nos desvios médios absolutos em função das concentrações de CO2 e H2S. As EOS PTV e a EOS SW são capazes de predizer o fator de compressibilidade (Z) com desvios médios absolutos entre os valores calculados e experimentais com precisão satisfatória para a maioria das aplicações, para uma variada faixa de temperatura e pressão. Este estudo também apresenta uma avaliação de 224 métodos de cálculo de Z onde foram utilizadas 8 correlações combinadas com 4 regras de mistura para estimativa de temperaturas e pressões pseudorreduzidas das amostras, junto com 7 métodos de caracterização das propriedades críticas da fração C7+, quando presente na composição do gás. Em função dos resultados são sugeridas, para diferentes tipos de sistemas, as melhores combinações de correlações com regras de mistura capazes de predizer fatores de compressibilidade (Z) com os menores erros absolutos médios relativos

Biossorção de vanádio pela macroalga marinha Sargassum filipendula

Muitos biossorventes naturais têm sido pesquisados por possuírem baixo custo e apresentarem propriedades ligantes, como é o caso da macroalga marinha Sargassum filipendula (S. filipendula) que vem sendo utilizada como material biossorvente no processo de biossorção de metais pesados. No presente trabalho a alga marrom foi utilizada para estudos realizados em batelada, onde se determinou o pH ideal de biossorção de vanádio, a relação sólido/líquido ideal e a importância da velocidade de agitação. O estudo cinético e de equilíbrio dos íons metálicos também foram realizados em bateladas nas seguintes condições de ensaio: (1) 0,10 g de biomassa, 25,0 mL de solução de vanádio igual a 18,0 mg L-1, temperatura 25,0 C e 150 rpm de agitação; (2) 0,10 g de biomassa, 25,0 mL de solução de vanádio igual a 36,0 mg L-1, temperatura 25,0 C e 150 rpm de agitação. A melhor condição para biossorção de vanádio foi encontrada para 36,0 mg L-1 e pH= 2,0. O estudo cinético de biossorção de vanádio mostrou que o modelo de segunda ordem descreve melhor os dados experimentais em 36,0 mg L-1 (R2= 0,9825). O estudo de equilíbrio mostrou um perfil crescente de remoção de vanádio. A melhor eficiência de captação dos íons de vanádio foi de 61,0 % para Co= 40,0 mg L-1 em pH= 2,0. Os dados experimentais da isoterma de vanádio mostraram-se mais adequados ao modelo de Langmuir para pH= 2,0, Os parâmetros de equilíbrio calculados a partir do modelo de Langmuir (b, qmax ) 0,009 e 43,3 mg/g, respectivamente, corroboram melhor para a interpretação dos resultados quando comparados com o modelo de Freundlich (kF, n) 1,56 e 2,41, visto que o coeficiente de correlação é maior para Langmuir

Experimental study on inertial effects in liquid-solid flows

This thesis presents experimental measurements of the rheological behavior of liquid-solid mixtures at moderate Reynolds (defined by the shear rate and particle diameter) and Stokes numbers, ranging from 3 ≤ Re ≤ 1.6 × 10³ and 0.4 ≤ St ≤ 195. The experiments use a specifically designed Couette cylindrical rheometer that allows for probing the transition from transporting a pure liquid to transporting a dense suspension of particles. Measurements of the shear stress are presented for a wide range of particle concentration (10 to 60% in volume) and for particle to fluid density ratio between 1 and 1.05. The effective relative viscosity exhibits a strong dependence on the solid fraction for all density ratios tested. For density ratio of 1 the effective viscosity increases with Stokes number (St) for volume fractions (φ) lower than 40% and becomes constant for higher φ. When the particles are denser than the liquid, the effective viscosity shows a stronger dependance on St. An analysis of the particle resuspension for the case with a density ratio of 1.05 is presented and used to predict the local volume fraction where the shear stress measurements take place. When the local volume fraction is considered, the effective viscosity for settling and no settling particles is consistent, indicating that the effective viscosity is independent of differences in density between the solid and liquid phase. Shear stress measurements of pure fluids (no particles) were performed using the same rheometer, and a deviation from laminar behavior is observed for gap Reynolds numbers above 4× 10³, indicating the presence of hydrodynamic instabilities associated with the rotation of the outer cylinder. The increase on the effective viscosity with Stokes numbers observed for mixtures with φ ≤ 30% appears to be affected by such hydrodynamic instabilities. The effective viscosity for the current experiments is considerably higher than the one reported in non-inertial suspensions.

A study of flow conditions near the substratum in an experimental channel [Translation from: Verhandlungen der Internationalen Vereinigung fur Theoretische und Angewandte Limnologie 18, 718-725, 1972]

In a slow flow, on a smooth uniform substratum, a limited bed allows the existence of currents slow enough for benthic invertebrates. These conditions rarely occur naturally. The investigations carried out in this work aimed, on an intermediary scale, to define the influence of irregularities in the substratum on flow near the bottom. The substrata used were made of glass marbles. The investigations were carried out in a transparent channel of 70 cm in length and a rectangular section 10 x 5 cm. The data was analysed to study the general evolution of flow in terms of average speeds and the appearance of the turbulence near the bottom.

Experimental, Numerical and Analytical Studies of the MHD-driven plasma jet, instabilities and waves

This thesis describes a series of experimental, numerical, and analytical studies involving the Caltech magnetohydrodynamically (MHD)-driven plasma jet experiment. The plasma jet is created via a capacitor discharge that powers a magnetized coaxial planar electrodes system. The jet is collimated and accelerated by the MHD forces.

We present three-dimensional ideal MHD finite-volume simulations of the plasma jet experiment using an astrophysical magnetic tower as the baseline model. A compact magnetic energy/helicity injection is exploited in the simulation analogous to both the experiment and to astrophysical situations. Detailed analysis provides a comprehensive description of the interplay of magnetic force, pressure, and flow effects. We delineate both the jet structure and the transition process that converts the injected magnetic energy to other forms.

When the experimental jet is sufficiently long, it undergoes a global kink instability and then a secondary local Rayleigh-Taylor instability caused by lateral acceleration of the kink instability. We present an MHD theory of the Rayleigh-Taylor instability on the cylindrical surface of a plasma flux rope in the presence of a lateral external gravity. The Rayleigh-Taylor instability is found to couple to the classic current-driven instability, resulting in a new type of hybrid instability. The coupled instability, produced by combination of helical magnetic field, curvature of the cylindrical geometry, and lateral gravity, is fundamentally different from the classic magnetic Rayleigh-Taylor instability occurring at a two-dimensional planar interface.

In the experiment, this instability cascade from macro-scale to micro-scale eventually leads to the failure of MHD. When the Rayleigh-Taylor instability becomes nonlinear, it compresses and pinches the plasma jet to a scale smaller than the ion skin depth and triggers a fast magnetic reconnection. We built a specially designed high-speed 3D magnetic probe and successfully detected the high frequency magnetic fluctuations of broadband whistler waves associated with the fast reconnection. The magnetic fluctuations exhibit power-law spectra. The magnetic components of single-frequency whistler waves are found to be circularly polarized regardless of the angle between the wave propagation direction and the background magnetic field.

Modelagem do Equilíbrio de Fases entre Hidrocarbonetos Leves e Pesados

O comportamento de fases para sistemas binários com um hidrocarboneto leve e um pesado é muito importante tanto para o projeto real de um processo quanto para o desenvolvimento de modelos teóricos. Para atender a crescente demanda por informação experimental de equilíbrio de fases a altas pressões, o objetivo deste estudo é obter uma metodologia que substitua parcialmente ou maximize a pouca informação experimental disponível. Para isto propõe-se a modelagem do equilíbrio de fases em misturas de hidrocarboneto leve com um pesado, sem o conhecimento da estrutura molecular do pesado, inferindo-se os parâmetros do modelo a partir da modelagem de dados de ponto de bolha obtidos na literatura. Esta metodologia implica não só na descrição do equilíbrio de fases de um sistema como na estimação das propriedades críticas do pesado, de difícil obtenção devido ao craqueamento destes a altas temperaturas. Neste contexto, este estudo apresenta uma estratégia que estima indiretamente as propriedades críticas dos compostos pesados. Para isto, foram correlacionados dados experimentais de ponto de bolha de misturas binárias contendo um hidrocarboneto leve e um pesado, usando-se dois modelos: o de Peng-Robinson e o TPT1M (Teoria da Polimerização Termodinâmica de primeira ordem de Wertheim modificada). Os parâmetros ajustados com o modelo de Peng-Robinson correspondem diretamente às propriedades críticas do composto pesado, enquanto os ajustados com o modelo TPT1M foram usados para obtê-las. Esta estratégia fornece parâmetros dependentes do modelo, porém permite o cálculo de outras propriedades termodinâmicas, como a extrapolação da temperatura dos dados estudados. Além disso, acredita-se que a correlação dos parâmetros obtidos com as propriedades críticas disponíveis ajudará na caracterização de frações pesadas de composição desconhecida