Поверхностное натяжение и тепловое излучение металлических расплавов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Валеева, Эльвира Энверовна АВТОР
кандидат технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Казань МЕСТО ЗАЩИТЫ
2007 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.14 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Поверхностное натяжение и тепловое излучение металлических расплавов»
 
Автореферат диссертации на тему "Поверхностное натяжение и тепловое излучение металлических расплавов"

На правах рукописи

□030557ЭТ

ВАЛЕЕВА ЭЛЬВИРА ЭНВЕРОВНА

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ И ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ РАСПЛАВОВ

01.04.14 - теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Казань - 2007

003055797

Работа выполнена на кафедре «Вакуумная техника электрофизических установок» Казанского государственного технологического университета.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панфилович Казимир Брониславович

доктор технических наук, профессор Гумеров Фарид Мухамедович

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Ярославцев Юрий Александрович

Казанский государственный энергетический университет

Защита диссертации состоится 11 апреля 2007г. в 10— часов на заседании диссертационного совета Д212.079.02 в Казанском государственном техническом университете им. А.Н. Туполева, по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, 10, зал заседаний ученого совета.

Автореферат разослан « ^ » марта 2007г.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.

Ученый секретарь диссертационного совета """"

кандидат технических наук, доцент ^ / Каримова А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Поверхностное натяжение - одна из важнейших характеристик поверхности вещества. Коэффициенты поверхностного натяжения необходимы для расчета процессов зарождения и роста фаз, адсорбции и др., необходимых для осуществления технологических процессов. Поверхностные явления в совокупности с другими физическими свойствами веществ определяют пути получения и долговечность важнейших материалов, эффективность добычи и обогащения полезных ископаемых; качество и свойства продукции, выпускаемой многими отраслями промышленности. Особый интерес вызывает взаимосвязь поверхностных свойств с особенностями строения и объемными свойствами веществ, что важно для металлургии, сварки и химических технологий.

Имеющиеся зависимости для расчета поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов часто недостаточно надежны. Коэффициенты и параметры, входящие в расчетные уравнения, являются приближенными. Использование имеющихся теоретических зависимостей сдерживается тем, что в общем случае неизвестны изменения в распределении атомов и валентных электронов, а, следовательно, и энергии взаимодействия при выходе частиц в поверхностный слой. Простые зависимости коэффициентов поверхностного натяжения от термодинамических свойств обычно применимы к жидкостям при температуре плавления. Единое уравнение, описывающее коэффициенты поверхностного натяжения жидких металлов и бинарных сплавов от температуры плавления до температуры кипения, не разработано. Взаимосвязь поверхностного натяжения с другими теплофизическими свойствами расплавов исследована недостаточно. Анализ имеющихся опытных данных по поверхностному натяжению с целью получения расчетного соотношения для жидких металлов и сплавов и отыскания связи между поверхностным натяжением и тепловым излучением расплавов является актуальной задачей.

Цель работы - применение теории размерностей к поверхностному натяжению жидких металлов и бинарных сплавов. Разработка методики расчета поверхностного натяжения металлических расплавов. Анализ влияния структуры расплава, прочности химической связи, положения металлов в периодическом законе Д.И. Менделеева на поверхностное натяжение. Анализ взаимосвязи поверхностного натяжения и теплового излучения жидких расплавов.

Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:

1. Применение теории размерностей к поверхностному натяжению металлических расплавов.

2. Анализ экспериментальных данных по поверхностному натяжению металлических расплавов.

3. Получение расчетного уравнения для поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов.

4. Анализ взаимосвязи поверхностного натяжения и теплового излучения жидких расплавов.

5. Анализ периодичности масштабных коэффициентов поверхностного натяжения жидких металлов, ее связи с тепловым излучением.

6. Анализ температур Дебая жидких металлов и сплавов.

Научная новизна.

1. Вывод на основе теории размерностей функционального соотношения для поверхностного натяжения металлических расплавов.

2. Впервые получено уравнение, связывающее поверхностное натяжение и энтропию металлических расплавов в области жидкого состояния.

3. Найдены постоянные для каждого металла и сплава данной концентрации масштабные коэффициенты поверхностного натяжения Ка и комплексы (КУц)"2 металлических расплавов.

4. Установлена периодичность изменения масштабных коэффициентов и комплексов поверхностного натяжения в соответствии с их положением в периодическом законе Д.И. Менделеева.

5. Впервые установлена взаимосвязь поверхностного натяжения и теплового излучения жидких металлов и сплавов. Показано, что периодические зависимости масштабного потока теплового излучения Кч"4 и масштабные комплексы поверхностного натяжения (1-С0/р.)1/2 практически совпадают.

6. Определен комплекс температур Дебая жидких металлов и бинарных сплавов, рассчитанных по масштабным коэффициентам поверхностного натяжения.

Практическая значимость. Результаты работы представлены в виде расчетного соотношения для поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов. Оно позволяет рассчитать поверхностное натяжение металлов и сплавов в жидкой фазе. Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов представлены в виде таблиц По ним рассчитываются масштабные потоки теплового излучения и, соответственно, поток теплового излучения, температуры Дебая жидких металлов и сплавов при заданной концентрации. С помощью расчетных соотношений и масштабных коэффициентов поверхностного натяжения можно прогнозировать данные по поверхностному натяжению и тепловому излучению металлических расплавов.

Автор защищает.

- Функциональная зависимость для поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов.

- Расчетное уравнение яля коэффициентов поверхностного натяжения жидких металлов. Комплекс масштабных коэффициентов поверхностного натяжения.

- Метод расчета коэффициентов поверхностного натяжения жидких бинарных сплавов. Концентрационную зависимость избыточных масшгабных коэффициентов поверхностного натяжения и избыточной энтропии смешения бинарных сплавов.

- Взаимосвязь коэффициентов поверхностного натяжения и интегральных полусферических потоков теплового излучения жидких металлов и сплавов. Методику расчета теплового излучения (поверхностного натяжения) по коэффициентам поверхностного натяжения (потокам теплового излучения) жидких металлов и сплавов.

- Периодичность изменения масштабных коэффициентов поверхностного натяжения в зависимости от номера элемента в периодическом законе Д.И. Менделеева, ее практическое совпадение с аналогичной периодичностью для теплового излучения жидких металлов.

- Комплекс температур Дебая жидких металлов и рассмотренных бинарных сплавов.

Апробация работы и научные публикации. По теме диссертации опубликозаны 13 работ, 6 статей, I из них в журнале, рекомендуемом по списку ВАК Российской Федерации. Основные результаты диссертации докладывались на Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (Жидкие металлы и сплавы)» (Нальчик, 2001г); 15-ой Международной конференции по химической термодинамике в России (Москва, 2005 г); ] 1 -ой Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (Санкт-Петербург, 2005 г); Всероссийской научно-технической конференции «Наука-производство-технологии-экология» (Киров, 2006 г); 2-м Международном семинаре «Теплофизические свойства веществ (Жидкие металлы и сплавы, наносистемы)» в Нальчике в 2006г; на отчетных конференциях Казанского государственного технологического университета на кафедре ТОТ с 2003 по 2005г.

Личный вклад. Все основные результаты получены лично автором. Использованные материалы других авторов помечены ссылками. В постановке задач и обсуждении результатов принимал участие научный руководитель д.т.н., профессор Панфилович КБ.

Достоверность полученных результатов. Вывод расчетного уравнения для поверхностного натяжения металлических расплавов произведен на основе проверенной и общепринятой теории размерностей. Для определения

масштабных коэффициентов поверхностного натяжения выбирались наиболее надежные экспериментальные данные. Критериями отбора служили экспериментальный метод определения поверхностного натяжения, среда проведения эксперимента и чистота металла. Энтропия и плотность жидких металлов и сплавов выбирались по известным справочным данным.

Основные результаты, полученные в диссертационной работе, физически обоснованы и не противоречат современным представлениям физики и химии поверхности.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит 161 страницу машинописного текста и состоит из введения, четырех глав основного текста, 100 рисунков, 8 таблиц, 2 приложений и 7 выводов. Список литературы включает 192 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цели и задачи работы, научная и практическая значимость работы, новизна полученных результатов и приводятся основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации дан обзор литературы по теме диссертации. Приводится анализ жидкого состояния металлов и сплавов, рассматриваются теоретические и экспериментальные методы определения поверхностного натяжения и теплового излучения жидких металлов и бинарных сплавов.

Во второй главе иа основе теории размерностей дан вывод функциональной зависимости для поверхностного натяжения жидких металлов и сплавов. Физическими величинами, определяющими поверхностное натяжение, приняты масса частиц гп, температура Дебая расплава 9, постоянные Больцмана к и Планка h, термодинамическая вероятность W и коэффициент поверхностного натяжения а. Основные независимые физические величины - постоянные Больцмана и Планка, масса частиц, температура Дебая и термодинамическая вероятность. Согласно п-теореме составим два безразмерных комплекса. Первый 3io=0kaGpmrhB содержит коэффициент поверхностного натяжения. Показатели степени а~Р"=-2, у^-1, 5=2 обеспечивают его нулевую размерность. Следовательно

и =---Гсг. (1)

а m(k9)

Вторым безразмерным параметром является термодинамическая вероятность, т.е.

7tw=W. (2)

По и -теореме я a~-f(7i w). Термодинамическая вероятность и энтропия вещества связаны формулой Больцмана S=kCnW »-const. Тогда л ,=/(S/k) и

Комплекс m(kO)J/h2 имеет ту же размерность, что и коэффициент поверхностного натяжения, определяется универсальными постоянными Планка и Больцмана, индивидуальными для каждого расплава массой частиц и температурой Дебая.

Мольная энтропия, взятая из справочных изданий, пропорциональна отношению S/k в выражении (3), удобна для расчетов и относится к постоянному числу частиц или при делении на газовую постоянную R - к одной частице Далее в работе использована величина S/R.

Поверхностное нагяжение расплавов относится к 1м2 поверхности. При изменении температуры изменяется число частиц металла, участвующих в формировании сил поверхностного натяжения. Если коэффициент поверхностного натяжения о умножить на отношение (рт/р)2/3> то комплекс 0*= о(р[т/р)2/3 будет отнесен к постоянному числу частиц (рт и р - плотности расплава при температуре плавления и текущей температуре соответственно).

Теперь соотношение (3) запишем в виде

. m(k8)2 ( S' а =—^—f h2

Температуры Дебая б, характеризующие прочность химических связей, имеются для ограниченного числа жидких металлов. Их величины, найденные разными методами, .могут различаться на 20% и более. Точность расчета комплексов m(kö)2/h2 в выражении (4) будет невелика, к тому же они зависят от температуры Дебая во второй степени. Поэтому целесообразно для их определения использовать непосредственно опытные данные по поверхностному натяжению расплавов. Согласно (4) линии o*~f(S/R) для термодинамически подобных веществ должны отличаться постоянным множителем. В полулогарифмических координатах lgo*-(S/R) данные для жидких металлов укладываются на параллельные прямые

Iga* = lgK0 -0,0258(S/R), (.5)

где Кс - масштабный коэффициент поверхностного натяжения.

Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения постоянны для каждого металла и с точностью до постоянного множитепя совпадают с комплексом m(k0)2/h2 в уравнении (4)

Относительные коэффициенты поверхностного натяжения U~a*/K0 для жидких металлов следуют зависимости

U=exp(-0,0594S/R). (6)

Обычные коэффициенты поверхностного натяжения будут равны

ехр|- 0,i

0594—-R

Рис 1. Коэффициенты поверхностного рИс 2 (а) Поверхностное натяжение лития ]-по

натяжения лития. Точки - данные Задумкина С H 2 - но уравнению (7), 3-по

различных авторов, линия- расчет по Моисееву Г К.а, 4 - по Попелю С И 5 - по

уравнению (7) Соловьеву А.Н 4> (б)-температурный

коэффициент поверхностного натяжения1'

Проведен анализ имеющихся экспериментальных данных по поверхностному натяжению. Наиболее надежные данные по коэффициентам поверхностного натяжения, измеренные в среде инертных газов или в вакууме для металлов высокой чистоты, использовались для определения масштабных коэффициентов поверхностного натяжения К„.

Поверхностное натяжение лития показано на рис. 1. Сравнение рассчитанных коэффициентов поверхностного натяжения жидкого лития с расчетами показано на рис. 2а. Температурный коэффициент поверхностного натяжения по данным Задумкина С.Н.1' постоянен Коэффициенты

^ Задумкин С Н Современные теории поверхностном энергии чистых металлов /СИ Задумкии 11 Поверхностны? явление в раепчавах и возникающих из них твердых фазах -Нальчик Кабард -Балкар кн изд-во, ¡965 -С 12-29

2) Моисеев Г К Системы жидкий щелочной металл - пповая фаза с учетом метастгбильных «малых» кластеров компьютерный эксперимент / Г К Моисеев, Н А Ватолии - Екатеринбург Изд-во УрО РАН. 2005 - 183 с 3> Попель С И Поверхностные явления в расплавах / С И Попель -М Металлургия, 1994 -С 433

Соловьев А И Применение теории свободного объема для расчета поверхностного натяжения жидкостей /АН Соловьев // Поверхностные явления в расплавах -Киев Наукова думка, 1968 - С 44-47

поверхностного натяжения литич по данным Моисеева Г.К.2), рассчитанные при переменном температурном коэффициенте поверхностного натяжения do/dt (рис.2б), соответствуют значениям поверхностного натяжения, рассчитанным по уравнению (7) Максимальный разброс расчетных коэффициентов поверхностного натяжения равен 7%.

В третьей главе рассмотрено применение уравнения (7) для расчета поверхностного натяжения жидких бинарных сплавов различного структурного типа K-Rb, Cd-Zn, Pb-Ag, Pb-Sn, Rb-Na, Pb-Bi, Al-Fe, Al-Ni, Ag-Sn, Cu-Sn и Au-Sn. Проводится анализ концентрационных зависимостей масштабных коэффициентов поверхностного натяжения и избыточных энтропии смешения.

Уравнение (7) удовлетворительно описывает коэффициенты поверхностного натяжения сплавов. Энтропия бинарного сплава рассчитывается по формуле

Sean ~ xlS| + X2S2 - ASCM, (8)

где Xj и х2, - мольные доли первого и второго компонента в сплаве, S! и S2 -энтропии чистых первого и второго компонентов в сплаве.

Энтропия смешения ASCM для бинарного сплава равна

ASCM=-^ + R(x,lna,+x2lna2), (9)

где АН - энтальпия смешения, а— активность i-ro компонента в сплаве. Энтропию смешения сплава можно представить в виде суммы избыточной энтропии смешения ASm6 и идеальной энтропии смешения ASW

ASCM = ASro6 + ASw. (10)

Где ASm6=~— + R(x1lny,+x2lnY2) (11)

AS„a = R(xj lnXj + x2 lnx2) (12)

Здесь y, - коэффициент активности i-го компонента в сплаве.

Дан анализ избыточных масштабных коэффициентов поверхностного натяжения АКа=Ка-Котд, где Коад - аддитивный масштабный коэффициент поверхностного натяжения Kow=XiKal+ x2Ka2.

Относительные коэффициенты а*/Ко поверхностного натяжения эвтектических сплавов (рис. 3) изменяются линейно в зависимости от энтропии сплава. Линии на рисунке соответствует уравнению (7) для чистых жидких металлов. Положение линии для сплава Cd-Zn соответствует масштабу рисунка, другие сплавы для удобства изображения смещены вверх относительно сплава Cd-Zn на 0,2; 0,4; 0,6 и 0,8 единицы шкалы вертикальной оси. Относительные коэффициенты поверхностного натяжения a*/Ka сплавов Si-Fe, Al-Ni, Ag-Sn, Cu-Sn и Au-Sn в полулогарифмических координатах

также изменяются линейно в зависимости от энтропии сплава (рис. 4). Данные для сплава Аи-Бп соответствуют масштабу рисунка, остальные сплавы сдвинуты на 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 единиц вертикальной оси.

0,8 0,6 0,4 0,2 0

8 10 12 14 ЗсплЛ1?

Рис 3. Относительные коэффициенты поверхностного навтасния Точки-^д$[Щ!£Нтальные данные при разных концентрациях, линии - расчет по уравнению (7)

18а*/К0 1,6

9,8 10,8 11,8 12,8 ЭсплЛг 13,8

Рис 4 Относительные коуффициенты поверхностного натяжения. Точки - экспериментальные данные при разных концентрациях, линии - расчет по уравнению (7)

Эвтектический сплав СА-Хп (рис. 5) - система с точкой перегиба на одной ветви линии ликвидус. Коэффициенты поверхностного натяжения сплавов кадмий-цинк измерены методом максимального давления в газовом пузырьке в среде аргона с погрешностью 2,4%. Максимальный разброс опытных данных относительно расчетов по уравнению (7) для цинка

♦ 1 D2 ДЗ Х4 Ж5 Об +7 08 »9

♦ ♦ <¡<i О-д-

я, мН/м

550 650 750 850 950 Т, К'

Рис 5 Коэффициенты поверхностного натяжения сплава Cd-7.n. 1 - Zn, 2 - 0,08Cd, 3 - 0,2Cd, 4 - 0,3Cd, 5 - 0,4Cd, 6 - 0,5Cd, 7- 0,6Cd, 8 - 0,7Cd, 9 - 0,8Cd, 10 -0,9Cd, 11 - Cd!). Линии - расчет по уравнению (7)

Рис. 6 Коэффициенты поверхностного натяжения сплава Ag-Sn 1 - А& 2 - 0,0465п, 3 - 0,1 ПЭп, 4- 0,255п, 5 -0,3773п, б - 0,525п, 7 - 0,6285п, 8 - 0,7855п, 9 - Бпб>. Линии - расчет по уравнению (7)

составляет 0,7%, для сплава, содержащего 0,08Сё (ат.) -

0,3%, о,2са - 0,07%, о,зса -

0,13%, 0,4Сс1 - 0,75%, 0,5Сс1 -0,17%, 0,6С<1 - 0,5%, о,7са -0,15%, 0,8Сс1 - 0,4%, 0,9Сс1 -1,3%, для кадмия - 0,28%.

Отклонения масштабных коэффициентов поверхностного натяжения сплава от аддитивной прямой не превышают 6%. Опытные данные по поверхностному натяжению сплава Сс1-гп показывают, что его только приближенно можно считать регулярным.

Сплав А§-Бп (рис. 6) -эвтектический с

электронными соединениями без максимума на линии ликвидус. Максимальное отклонение экспери-

ментальных данных от расчета по уравнению (7) для чистого серебра равно 0,5%, для сплава, содержащего 0,0468п (ат.) - 1,5%, 0,1 ПБп

- 1%, 0,258(1 - 2%, 0,3778п -1,7%, 0,528п - 1,4%, 0,628Бп

- 1,898%, 0,785Бп - 0,4%, для чистого олова максимальное отклонение равно 2,5%. Избыточная энтропия сплава положительна. Избыточные масштабные коэффициенты поверхностного натяжения отрицательны и значительно отклоняются от аддитивности (рис. 7).

51 Ptak W Napiecie powieríthinowe stopow cynL-kacím i kadm-bizmut / W Ptak, M Kurcharskl // Arch hutn - 1974 -T 19, X° 3 -S 301-317

6) Lauennann J Oberflächenspannungen von sohmelzflussigem Silbei, Zinn und Sibrer-Zinn-Legierongen / J bauermann, G Met7ger, F SauenvalH // Zeitschrift für Physikalische Chemie -1961 -V 216, №1/4 -S 42-49

ДК„ мН/м

AS„,5, Дж/мольК

Можно попагать, что методика описания опытных данных, использующая теорию размерностей, будет применима к другим сплавам.

Избыточные масштабные коэффициенты поверх-

ностного натяжения хорошо коррелируются с избыточной энтропией смещения. В саучае сплавов K-Rb, Ag-Pb, B'-Pb, Ag-Sn, Cu-Sn, Au-Sn величины AK„ и AS„j6 имеют противоположные знаки, характер их изменения противоположен.

В зависимости от состава величины ДЗИ,5 имеют максимум, а ДК0 - минимум. Для сплава Al-Ni избыточная энтропия смешения меняет знак при хА1=0,8. При этой же концентрации меняет знак и АК„. Оба параметра ASm6 и АК0 сплавов Pb-Sn и Na-Rb - отрицательны. На их зависимости от состава имеются минимумы. Сплав Ccl-Zn аддитивен, ASH3t5=0. Избыточные энтропии смешения и масштабные коэффициенты поверхностного натяжения сплава Si-Fe носят одинаковый характер на концентрационной зависимости.

■ В четвертой главе впервые установлена взаимосвязь поверхностного натяжения и теплового излучения жидких металлов и сплавов. Тепловое излучение жидких металлов исследовано недостаточно, особенно при высоких температурах. В работе7^ было выведено соотношение' для расчета теплового излучения на основании теории размерностей

Рис.7 Избыточные масштабные коэффициенты поверхностного натяжения (1) и избыточная энтропия смешения (2) сплава Ag-Sn

exp 1,4414— l R

где масштабный поток теплового излучения Кч ~ (к9№с2), с - скорость света. Масштабные потоки теплового излучения Кч (Дж/м2) пропорциональны температурам Дебая в четвертой степени, масштабные коэффициенты поверхностного натяжения К„ (Шм) пропорциональны температуре Дебая во второй степени. Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения и масштабные потоки теплового излучения (рис. 8) связаны уравнением

(КУц)"2 =19,053 К„1/4. (14)

Уравнение (14) перепишем в виде

ка=363ц,/к7. (15)

7> Панфигович К Б Тепловое изучение жидких металлов /КБ Панфипоекч В В Caiajieea, И Л ГслчСева /' Расплавы -2005 -Л»4 - С 36-92 . ~

Уравнение (15) позволяет определять масштабные потоки теплового излучения по известным масштабным коэффициентам поверхностного натяжения, и наоборот. То есть можно, зная одно свойство, находить другое при отсутствии по нему экспериментальных данных

0,9 0,7 0,5 0,3 0,1 -0,1

5п Рв Т1

Д мь ^ "6 Мд Си

¡8(10%)'''

Рнс 8. Взаимосвязь масштабных коэффициентов поверхностного натяжения и масштабных потоков теплового излучения'* жидких металлов

Рассчитанные по

уравнениям (13) и (14) степени черноты (рис. 9) отклоняются от экспериментальных данных для висмута до 10%, для свинца до 7,6% и для цинка до 8,7%, Большие расхождения

расчетных величин от эксперимента можно объяснить погрешностью измерений поверхностного натяжения, теплового излучения и неточностью расчета энтропии.

Уравнения (13) - (15) справедливы также для жидких сплавов. Зависимость

1100 1300 Т, «|

Рис 9 Степень черноты жидких висмута, еьинца и цинка Точки - чьсперимеитальные данные7', линия - расчет по уравнениям (13) и (14)

Си-Зги»'

1-3 18(КЧ)"

Рис. 10 Взаимосвязь масштабных коэффициентов поверхностного натяжения и потоков теплового излучения жидких бинарных сплавов

Рис. 11 Степени черноты сплава ВнРЬ. Точки - эксперимент1*, линии - расчет по уравнению (7)

масштабных коэффициентов, характеризующих поверхностное натяжение и тепловое излучение сплавов Си-8п, РЬ-8п и РЬ-В1 (рис.12), оказывается в логарифмических координатах линейной с угловым коэффициентом, равным единице. Усредняющая линия соответствует уравнению (15), полученному для чистых металлов.

Степени черноты сплава Вь РЬ, рассчитанные через поверхностное натяжение

согласуются с экспериментом в пределах 10% (рис, 11).

Установлена периодичность масштабных коэффициентов и комплексов поверхностного натяжения в соответствии с положением элемента в периодическом законе Д.И. Менделеева (рис. 12). Установлено совпадение в пределах погрешности

определения масштабных комплексов (Ко/ц.)"2 и К,|/4 (рис. 12).

Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения (К0/р)"2 и масштабные потоки теплового

излучения К,

пропорциональны Дебая жидких

температуре металлов 0.

Температуры Дебая приводится для небольшого числа жидких металлов. Они

найдены по скорости звука и вязкости. Величины (КУц)1/г и К,"" в логарифмических координатах в зависимости от 0 линейны (рис. 13) и имеют одинаковый угловой коэффициент, равный единицы.

Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения аппроксимированы уравнением

К„ = 0,5495 10"6 ц92. (16)

Масштабные потоки теплового излучения описаны уравнением7':

Кч= 1,585 1О-1204. (17)

ОДМО"1 1ё1СГ

Рис. 12 Периодичность изменения масштабных комплексов (К,/ц)"! и К,,"1 жидких металлов

Выражения (16) и (17) использованы для расчета температур Дебая жидких

металлов (таблица).

Соотношение (15) устанавливает однозначную взаимосвязь поверхностного натяжения и теплового излучения жидких металлов. Кроме того, оно еще раз четко подтверждает строгость применения теории размерностей к

поверхностному натяжению и тепловому излучению жидких металлов.

1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,5 |§0

Рис 13 Масштабные комплексы (Ка/н)'12 и потоки К," для жидких металлов

Таблица

Масштабные коэффициенты поверхностного натяжения и температуры _______Дебая жидких металлов ________

№ Металл К3, мН/м е,к~] № Металл 1С,, мН/м е,к

1 и 575 388 34 С(1 1170 138

2 Ве 1734 592 35 1п 1050 ^ 129

3 В 1822 554 36 Бп 998 124

4 Иа 322 ¡60 37 БЬ 765 107

5 ~ б ~ М8 948 266 38 Те 475 82

А1 1505 319 39 Ся 139 44

7 31 1405 302 40 Ва 649 93

8 К 193 95 41 \Л 1595 145

9 Са 675 175 42 Се 1300 130

10 8с 1909 278 43 Рг 1790 152

11 ТС 3326 355 I 44 Ш 1785 150

12 V 3327 345 45 Йт 1218 121

13 Сг 3050 327 46 Ей Г 780 97

14 Мп 2300 276 47 са 1750 142

15 Ре 3735 349 48 ть 1900 147

16 Со 3750 340 49 Ж _ 1810 142

17 N1 ■ 3530 331 50 Но 1810 141

18 Си 2493 267 51 Ег 1790 140

19 Ъп 1415 198 52 УЬ 750 1 89

20 ва 936 156 53 Ьи 2220 152

21 СЗе 1230 176 54 НГ 3235 182

22 Ав 1879 214 55 Та 4863 221

23 Эе 150 59 56 W 6143 247

24 № 175 61 57 1г 5250 223

25 Бг 647 116 58 Р1 3840 189

26 У 1320 164 59 Аи 2305 146

27 7л 3056 247 60 н_е__ 833 87

28 N1) 3997 280 61 Т1 920 91

29 Мо 5020 309 62 РЬ 920 90

30 К» 4896 297 63 В1 735 80 134

31 яъ 4010 266 64 ТЪ "1 2306

3?. Р<3 3050 228 65 и 3950 174

33 1777 173 1 66 Ри 1212 95

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Применена теория размерностей к поверхностному натяжению жидких металлов и сплавов. Впервые получено функциональное соотношение для расчета поверхностного натяжения расплавов

2. Проведен анализ опытных данных по коэффициентам поверхностного натяжения расплавов, полученных разными методами в вакууме, в среде инертных газов или собственных паров для металлов разной чистоты. Наиболее надежные данные использованы для определения масштабных коэффициентов поверхностного натяжения.

3. Получено единое уравнение для расчета поверхностного натяжения расплавов. Каждому металлу или сплаву данного состава соответствует постоянный масштабный коэффициент.

4. Установлена периодичность изменения масштабных коэффициентов и масштабных комплексов поверхностного натяжения жидких металлов в соответствии с их положением в периодическом законе Д.И. Менделеева.

5. Впервые установлена взаимосвязь поверхностного натяжения и теплового излучения жидких металлов и сплавов. Разработана методика расчета потока теплового излучения (поверхностного натяжения) по поверхностному натяжению (потоку теплового излучения) жидких металлов и сплавов.

6. Установлен характер согласованного изменения избыточных масштабных коэффициентов поверхностного натяжения и избыточной энтропии смешения сплавов.

7. Рассчитаны температуры Дебая жидких металлов и сплавов. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В

РАБОТАХ:

1. Валеева Э.Э. Тепловое излучение, поверхностное натяжение, коэффициенты самодиффузии и динамической вязкости жидких металлов / К.Б. Панфилович, В.В. Сагадеев, Л.В. Шмагина, Э.Э. Валеева // Тезисы к докладам международной конференции по теплофизическим свойствам веществ (жидкие металлы и сплавы). Нальчик: Изд-во КБГУ. 2000. - С. 116.

2. Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов ! К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Научная сессия. Аннотация сообщений. (5-9 февраля). Казань: КГТУ. 2001. - С.115.

3. Валеева Э.Э. Тепловое излучение, поверхностное натяжение и вязкость жидких металлов / К.Б. Панфилович, В.В. Сагадеев, Л.В. Шмагина, Э.Э. Валеева, В.К. Панфилович // Труды международного семинара «Теплофизические свойства веществ (жидкие металлы и сплавы)». 11-15 июня. - Нальчик: Изд-во КБГУ. 2001. - С. 205-214.

4. Валеева Э Э. Поверхностное натяжение жидких металлов вблизи температуры плавления / К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Научная сессия. Аннотация сообщений. (4-7 февраля). Казань: КГТУ. 2003. -С.114.

5. Валеева Э.Э Поверхностное натяжение сплавов щелочных металлов /

К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Научная сессия. Аннотация сообщений. (4-7 февраля) - Казань: КГТУ. 2003. - С. 114.

6. Валеева Э.Э. Избыточная энтропия смешения и отклонение от аддитивности Теплового излучения и поверхностного натяжения жидких сплавов металлов / И.Л. Голубева, Э Э. Валеева // Научная сессия. Аннотация сообщений. (4-7 февраля). Казань- КГТУ. 2004. - С. 116.

7. Валеева Э.Э. Влияние эффектов послеплавления на поверхностное натяжение полуметаллов / К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Научная сессия. Аннотация сообщений. (4-7 февраля). Казань: КГТУ. 2005 -С.116.

8. Валеева Э.Э. Влияние полиморфных превращений на тепловое излучение и поверхностное натяжение жидких металлов / К.Б. Панфилович, В.В. Сагадеев, И.Л. Голубева, Э.Э. Валеева Н Сборник тезисов докладов XV Международной конференции по химической термодинамике в России. Москва: Изд. МГУ. 2005. - С. 63.

9. Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов / К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Материалы XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. ТЛ - Санкт-Петербург. 2005. - С.

10. Валеева Э.Э. Избыточная энтропия смешения и отклонение от аддитивности Теплового излучения и поверхностного натяжения жидких бинарных сплавов / К.Б. Панфилович, И.Л. Голубева, В.В. Сагадеев, Э.Э. Валеева // Материалы XI Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. Т.1 - Санкт-Петербург. 2005. - С. 211.

11. Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение и тепловое излучение жидких металлов / К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Сб. материалов Всероссийской научно-технической конференции «Наука-производство-технологии-экология». Т.4 - (ЭТФ). - Киров: Изд-во ВятГу, 2006. - С. 163-166.

12. Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение жидких металлов / К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Вестник казанского технологического университета. - 2006. - №1. - С. 13 М39.

13. Валеева Э.Э. Поверхностное натяжение и тепловое излучение металлических расплавов / К.Б. Панфилович, Э.Э. Валеева // Труды 2-го Международного семинара «Теплофизические свойства веществ (Жидкие металлы и сплавы, наносистемы)». Нальчик: Изд. КБГУ. 2006, - С.70-71.

Соискатель

Э.Э. Валеева

Офсетная лаборатория Казанского государственного технологического университета 420015, г Казань, ул К Маркса, 68

 
Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидат технических наук , Валеева, Эльвира Энверовна
 
Введение диссертация по физике, на тему "Поверхностное натяжение и тепловое излучение металлических расплавов"
 
Заключение диссертации по теме "Теплофизика и теоретическая теплотехника"
 
Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидат технических наук , Валеева, Эльвира Энверовна, Казань