Enligt en ny studie som leds av ett team från University of New Mexico, månghundraåriga lagar om beteendet hos gasblandningar gäller inte i närvaro av stötvågor.

Detta fynd kan ha potentiell inverkan på allt som involverar blandningar av gaser som utsätts för en stötvåg, till exempel, vid förbränning i en motor. Detta är också relevant för konventionella och nukleära explosioner, överljudsstrålar, gaskylda kärnreaktoranläggningar, och tröghetsbegränsad fusion.

Resultaten publicerades denna vecka i tidningen "Dalton's and Amagats Laws Fail in Gas Mixtures with Shock Propagation" i Vetenskapliga framsteg .

Studien, genomfördes vid UNM, involverade förblandning av två gaser med dramatiskt olika egenskaper:lätt helium och tung och trögflytande svavelhexafluorid. Teamet karakteriserade egenskaperna hos den resulterande blandningen, som stämde väl överens med klassisk teori, sedan introducerades en chockvåg, och temperaturen och trycket hos det chockaccelererade mediet mättes under flera millisekunder – en kort tid att tänka på i normala termer, men ett långt intervall jämfört med tidsskalorna förknippade med stötvågspassagen. Forskarna fann att temperaturen och trycket efter chockkompressionen inte överensstämde med vad som skulle ha förväntats från förutsägelserna av någon av de två klassiska teoretiska lagarna - Daltons eller Amagats.

Den franske fysikern Emile Hilaire Amagats lag om delvolymer från 1880 säger att den totala volymen av en gasblandning är lika med summan av de delvolymer varje gas skulle uppta om den existerade ensam vid blandningens temperatur och tryck. Och 1802, forskaren John Dalton uppgav att det totala trycket i en icke-reaktiv gasblandning - vid konstant temperatur och volym - är lika med summan av partialtrycken för komponentgaserna.

"Vår studie fann att klassiska lagar som används för att förutsäga gasblandningsegenskaper inte fungerar i en ganska vanlig och praktiskt viktig situation, "sa medförfattaren Peter Vorobieff.

Anledningen till oenighet är att ingen av de klassiska lagarna kan beskriva exakt vad som händer på molekylär nivå, han sa. Enkla överväganden av tidsskalor från kinetisk molekylär teori, och hur de påverkas av chockacceleration, tycks ge åtminstone en kvalitativ förklaring av de experimentella observationerna. Vorobieff sa att även om detta är ett solidt första steg, de yttersta konsekvenserna har ännu inte fastställts, och mycket ytterligare studier krävs. Möjliga effekter kan innebära en designförändring i mekanismer som motorer som tar hänsyn till hur stötvågor påverkar gasblandningens egenskaper.

"Vårt arbete har visat att klassisk gasblandningsteori inte fungerar i chockaccelererade och möjligen andra komprimerbara flöden, "Vorobieff sa." Vi måste utföra experiment med fler gasblandningar och ett bredare spektrum av förhållanden för att utforska problemets omfattning och utveckla en teori som förklarar våra observationer. "