Исследование адиабатического термического коэффициента давления жидкостей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.15 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ

1.1. Исследование теплофизических свойств веществ на основе измерения производной (Эт/Эрь (Обзор литературы)

1.2. Относительный вариант методики

1.3. Вопросы методики измерения комплекса ОСТ/^Р^

1.4. Анализ погрешностей измерений

1.5. Перспективы развития эксперимента

ГЛАВА П. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1. Результаты исследования комплекса органических жидкостей

2.2. Организация и техника проведения эксперимента

2.3. Обработка первичного экспериментального материала.

2.4. Исследование комплекса воды.

2.5. Поверка согласованности термического и калорического уравнения состояния

2.6. Построение термического уравнения состояния жидкостей на основе экспериментальных данных для

ГЛАВА Ш. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ, ОБОБЩЕНИЯ.

3.1. Зависимость ОдТ/Эр)^ органических жидкостей от температуры и давления

3.2. Термодинамический параметр Грюнайзена жидкостей

3.3. Отношение Cp/Cv органических жидкостей

Исследование природы жидкого состояния вещества и, в частt ности, вопроса о характере теплового движения и о механизмах переноса тепла в жидкостях,требует изучения широкого набора тепло-физических свойств, включая термические,калорические и кинетические характеристики.

Так, дая апробации представлении о переносе тепла в жидкостях коллективными движения типа гиперакустических дебаевс-ких волн, необходимо анализировать связь теплопроводности с теплоемкостью, сжимаемостью и плотностью. Первые два параметра (теплопроводность,теплоемкость) можно определить одновременно на основе метода периодического нагрева зонда [I] , а для получения РЛ/-Т данных необходим дополнительный эксперимент. Последней цели служит новая методика измерений,разработке и использованию которой посвящена диссертация.Рассматриваемая методика относится к новому классу методов - методов,основанных на использовании термоупругих и упруготермических эффектов [2] . Измеряемая величина - адиабатический термический коэффициент давления выражается через изобарную теплоемкость единицы объема и коэффициент теплового расширения. Получаемый комплекс Ol/T/Cp^ (0С^%/ЗГ]р коэффициент теплового расширения,Т-температура, ^ -плотность, с!р- удельная изобарная теплоемкость) дополняет известный ассортимент термодинамических величин и может использоваться многими разными способами.

В совокупности с упомянутыми выше экспериментами, дащими Ср£ [l] , из получаемых данных можно определить коэффициент теплового расширения и,после интегрирования, термическое уравнение состояния. Наоборот,при известном термическом уравнении состояния знание комплекса дает калорическое уравнение.

В общем же измерения адиабатического термического коэффициента давления можно рассматривать как средство апробации связи термического и калорического уравнений состояния, как элемент построения уравнения состояния жидкости. Очень ценную информацию дает комплекс при наличии данных по скорости звука (последние, как известно, получаются достаточно простыми средствами). На этом пути получают сведения о термодинамическом параметре Грюнайзена, об отношении изобарной к изохорной теплоем-костей. Эти сведения и находимые на их основе общие закономерности имеют важное значение для создания эффективных методов расчета и прогнозирования свойств жидкостей.

Цель работы: I) создание новой методики измерения адиабатического термического коэффициента давления жидкостей, отработка соответствующей аппаратуры, обсуждение возможностей применения методики для жидкостей разной природы; 2) получение экспериментального материала для ряда углеводородов - представителей класса неассоциированных жидкостей; 3) изучение воды -наиболее технически важного вещества; 4) выявление общих закотермодинамического параметра Грюнайзена, отношения изобарной к изохорной теплоемкостей; 5) рассмотрение комплекса cCTICpP как источника информации о термическом уравнении состояния и как величины, удобной для апробации согласованности термического и калорического уравнений состояния.

В первой главе приведен обзор методик исследования тепло-физических свойств вещества, основанных на использовании упруго-термических эффектов. Рассмотрена созданная автором относительная методика измерения адиабатического термического коэффициента давления жидкостей. Описана экспериментальная установка, номерностеи, характеризующих поведение комплекса проанализирован вопрос о достоверности получаемых экспериментальных данных.В последнем параграфе главы обсуждены основные направления развития эксперимента на базе созданной методики.

Во второй главе приведены результаты экспериментального исследования комплекса оСТ/Ср^ органических жидкостей. Рассмотрены особенности измерения адиабатического термического коэффициента давления воды. На основе полученных экспериментальных данных, выявлены закономерности поведения комплекса воды в зависимости от температуры и давления. На примере н-гекса-на, показана возможность использования экспериментальных данных для поверки согласованности термического и калорического уравнений состояния, а также получены изобары плотной жидкости.

В третьей главе рассмотрен характер поведения о6Т/Ср£ в зависимости от температуры и давления органических жидкостей, что позволило выявить отличие этой зависимости для воды от нормальных неассоциированных веществ. Установлено, что зависимость термодинамического параметра Грюнейзена от температуры и давления единообразно передается функцией одной переменной -плотности.

Показана возможность использования экспериментальных данных по адиабатическому" термическому коэффициенту давления для описания отношения теплоемкостей жидкостей.

Автор защищает:

- новую методику измерения адиабатического термического коэффициента давления жидкостей;

- результаты измерения комплекса И^з восьми органических жидкостей (п-пентана, н-гексана, г-гептана,н-октана,изоок~ тана, н-декана, толуола, бензола) и воды в интервале температур 290-500К и под давлением до 50 МПа;

- общие закономерности, характеризующие поведениесП|Ф§ не~ ассоциированных веществ;

- закономерность о возможности описашш термодинамического параметра Грюнайзена нормальных жидкостей в виде функции одной переменной - плотности;

- результаты изучения влияния давления и температуры на отношение изобраной к изохорной теплоемкости.

Практическая ценность работы.

Разработанная методика может быть использована для измерения адиабатического термического коэффициента давления жидкостей различной природы. Полученный в диссертации экспериментальный материал может быть использован: для построения уравнений состояния и для апробации существующих уравнений, а установленные общие закономерности могут применяться для расчетов и прогнозирования свойств жидкостей. Экспериментальные данные могут быть использованы для пополнения банка термодинамических величин системы ГСССД (Государственной службы стандартных и справочных данных при Госстандарте СССР). Результаты исследований адиабатического термического коэффициента давления жидкостей могут быть использованы при проектировании нового оборудования химической и нефтехимической промышленности.

Приношу глубокую благодарность моему научному руководителю и учителю Льву Петровичу Филиппову, а также кандидату физико-математических наук Л.А.Елагонравову. Я благодарю весь коллектив кафедры молекулярной физики физического факультета МГУ за постоянное внимание к данной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОШ

1. Создана новая методика экспериментального исследования адиабатического термического коэффициента давления жидкостей в широком диапазоне температур и давлений. Детальный анализ методики а также ее проверка на контрольных жидкостях показали, что измеряемая величина может быть получена с погрешностью до 1%. Для реализации методики смонтирована оригинальная экспериментальная установка.

2. С помощью созданной методики получен новый экспериментальный материал по адиабатическому термическому коэффициенту давления для восьми органических жидкостей (толуола, бензола, н-пентана, н-гексана, н-гептана, н-октана, изооктана, н-декана) и воды в интервале температур от 290 до 500К под давлением до 50 Ша.

3. На основании нового экспериментального материала установлены закономерности поведения адиабатического термического коэффициента давления жидкостей в зависимости от температуры и давления.

4. Анализ полученного массива данных позволил впервые выявить общие закономерности поведения термодинамического параметра Грюнайзена жидкостей в зависимости от температуры и давления, установить, что эта зависимость однообразно передается функцией одной переменной - плотности.

5. На основании экспериментальных данных по адиабатическому термическому коэффициенту давления показана возможность расчёта отношения теплоемкостей жидкостей в зависимости от температуры и давления.

6. Показана возможность успешного использования результатов измерений адиабатического термического коэффициента давления жидкостей душ апробации согласованности термического и калорического уравнений состояния. На примере н-гексана показана возможность получения термического уравнения состояния плотной жидкости, согласующегося с надежными литературными данными в пределах сотых долей процента.

1. Экспериментальное исследование комплекса теплофизических свойств жидкостей /Филиппов Л.И., Нефедов С.Н., Кравчун С.П., Колыхалова Е.А./ - ИМ, 1980, т.38, Л 4, с. 644-650.

2. Филиппов Л.П. Направления развития методов измерения тепло-физических свойств веществ и материалов. Известия ВУЗов. Энергетика, 1980, № 3, с. 34-41.

3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. 4.1. М.: Наука, 1976 -584 с.

4. Стасенко В.А., Филиппов Л.П. Изучение адиабатического термического коэффициента давления и связанных с ним теплофизических свойств жидкостей. Депонирована в ВИНИТИ, JS 862-84 Деп. от 13 февраля 1984 г., 12 с.

5. Boebfet R,.} ftanna^lsliman J. КеУШс/ij & С. SuCbietseri pammetea of f?ulct& and mrta£s undent compression. — Ргос. of 6iK AIRAPT Cbixf. P^op.

6. Ne*Yotk, 1979, p.\\9~\ZL\.

7. С leaven. В., lant P. jlduxfcatic ihzwaL ptesstwe coefficients oj m often, salts; сш Imfmct methodj от measutevneni of IsothexvW СОтргее&сЬс!^

8. Hi^hlimp.- Kl<jK. д/i, p.43j"Vf3.

9. Джавадов JI.H., Кротов Ю.И. Зависимость параметра Грюнайзена от давления в области фазового перехода. ФТТ, 1980, т.22, № 4, с. 644-650.

10. Джавадов Л.Н., Кротов Ю.И. Коэффициент теплового расширения тефлона в условиях высокого давления. ИФЖ, 1980, т.22,1. Ш 4, с. 1245-1247.

11. Джавадов Л.Н. Измерение тепловых свойств твердых тел под давлением. Кандидатская диссертация, М.: 1981. - 102 с.

12. ЛррК PJu|£., f9K, V.53, Л/Ю, p.653G-6S40.

13. CaalijotL BottanlC.E. Lattice. dun&Mics ayiciihe ihemov&codasiLc effect-P^s. mod tHate*. bed.laterLnattOhot 7 Coarse, 137&} lrp.Sll-5№.

14. Ossl PW. ? BotfcaHl С E., Ptosslto F. JfekiMinatiOYLoj the &*исиес5еи papain etm, bjf bhezmoelasticeffect Ы айашони: solids,.—

15. BottanC CE^ Ca^lioti G? Osbi PW- (кишьеп. раш-metea : frieayLV&m&ht Qjtfa. steam dmblduiM^b, —

16. J. Pt^s. F; '\38l?v.ii) p.54У-545.23. becjk bothmL с p. л tw^€&lst<x ftkthodto Jctamt^fa Weasat^ tke Gaumsm pammefeLancf dc^LVibj. J:Appl.Php.,{3iQ,4b, p.5f-5?.

17. А.С. 655948 (СССР). Устройство для измерения теплофизических свойств веществ /П.А.Павлов, Р.Р.Мулюков/ Опубл. в Б.И. 1979, J& 13.

18. Мулюков P.P. Комплексное исследование теплофизических: свойств перегретой жидкости. Кандидатская диссертация, Свер-ловск, 1981. - 176 с.

19. Милюков P.P., Павлов П.А. Экспериментальное исследование теплофизических свойств перегретого н-пентана. ТВТ, 1982, т.20, № 2, с. 49-53.

20. Кулиш А.А., Филиппов Л.П. Определение теплофизических свойств металлов У группы при высоких температурах путем исследования изгибных колебаний пластин. ТВТ, 1978,т.16, Ш 3, с. 602-609.

21. А.С. 1065752 (СССР). Способ измерения термического коэффициента давления жидкостей /I.П.Филиппов, Л.А.Благонравов, В.А.Стасенко/ Опубл. в Б.И., 1984, № I.

22. Григорьев Б.А. Исследование теплофизических свойств нефтей, нефтепродуктов и углеводородов. Дис. доктора техн.наук, Грозный, ГНИ, 1979. - 524 с.

23. Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона /В.А.Рабинович, А.А.Вассерман, В. И. Не до ступ, Л.С.Векслер/ М.; Изд-во Стандартов, 1976. - 617 с.

24. Теплофизические свойства щелочных металлов /Э.Э.Шпильрайк, К.А.Якимович, Е.Е.Тоцкий, Д.П.Тимрот, В.А.Фомин/ М.: изд--во Стандартов, 1970. - 478 с.

25. Онищенко В.П., Красный Ю.П. Термодинамические свойства жидкого натрия и калия. УФЖ, 1973, т.18, с. II94-I200.

26. VYXakaizviko I.W., №.со1а-ш\оэ&Мп 5tisfcov £.№. Eouatum Of state of liquid alkali metafe: socf cam; pottascuwi.- Jnst.Pkijs. Conf. ъгч. ^щт^рслИ^.К-ВЭ.

27. Басин А.С. Экспериментальное исследование плотности рубидия и цезия в интервале температур от 15 до 1300°С: Дис. канд.тех.наук Новосибирск, 1970. - 226 с.

28. Кожевников В.Ф. Экспериментальное исследование сжимаемости щелочных металлов в жидкой фазе при высоких давлениях итемпературах. Дис. канд. физ.-мат. наук: М.: 1976. -125 с.

29. Коршунов Ю.С., Сенченков А.П., Асиповский Э.П. Измерение зависимости для цезия при высоких температурах и давлениях и оценка параметров критической точки. Теплофизика высок, температур, 1970, т.8, с. 1288-1289.

30. Варгафтик Н.Б., Кожевников В.Ф., Алексеев В.А. Экспериментальное исследование уравнения состояния жидких щелочных металлов. ИФЖ, 1978, т.ХХХУ, В 6, с. 988-990.

31. Dtffon I.Gr.} MdbOjn PJ.? Swanson ВД measuienmt

32. Oj densctces cirui EstivnatiOKb of CnitucaL piopeittts of Ы Jlllcalt mcta£s^J СЫтЩ^ШуМ^МгЧ 4*38.

33. Pf-etf €* R.R; Fmjianc£ ttensel F. Equation oj state anct 1xcmsp(nt date oki Expanded liauicl Rabicfiani iq>to 1700с and Wbm- Bea., Bunsen., №9,Щ p.fcOWlf.

34. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Мозговой А.Г. Экспериментальное исследование плотности жидкого калия при температурах до 1800°С и давлениях до 100 атм. ТВТ, 1976,т.14, с. 511-52I.

35. Благонравов Л.А. Исследование теплоемкости жидкого цезия при высоких температурах под давлением методом периодического нагрева. Дис. канд. физ.-мат.наук: М., 1978 -137 с.

36. Теплоемкость жидкого цезия при температурах до 2000К поддавлением до 12 МПа /Благонравов Л.А., Филиппов Л.П., Алексеев В.А., Шнерко В.Н./ ИФЖ, т.44, № 3, с. 438-443.

37. Теплоемкость жидкого рубидия в температурном интервале I300-I900K под давлением до 16 МПа /Благонравов Л.А., Шнерко В.Н., Филиппов Л.П., Алексеев В.А./ ТВТ, 1984, т.22, В I, с. 177-179.

38. Ривкин СЛ., Александров А.А., Кремлевская Л.А. Термодинамические производные для воды и водяного пара., М.: Энергия, 1977, - 262 с.

39. Циклис Д.С. Техника физико-химических исследований при высоких и сверхвысоких давлениях. М.: Химия, 1976. - 430 с.

40. Славин Д.О., Штайман Е.Б., Металлы и сплавы в химическом машиностроении и аппаратуростроении. М.; Машгиз, 1951. -563 с.

41. Либерман Л.А., Пейсихис М.С. Справочник по свойствам сталей, применяемых в котлотурбостроении. М.: Машгиз, 1958. - 408 с.

42. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1967. - 479 с.

43. Исследование динамических характеристик тонких платиновых термоприемников /Титов Г.П., Тарин А.А., Башкатов Н.А., Оуетин П.Е./. Измер.техн., 1978, $ 6, с. 68-69.

44. Ярышев Н.А. Теоретические основы изменения нестационарных температур. Л.: Энергия, 1967. - 379 с.

45. Мамедов A.M., Ахундов Т.С. Таблицы теплофизических свойств газов и жидкостей, вып.5, М.: Стандартов, 1978.- 91 с.

46. Кравчун С.Н. 0 применении метода периодического нагрева зондов для измерения теплофизических свойств смесей. ИФЖ, 1982, т.42, }h 6, с. 949-955.

47. ЗКсушкх 6.К!.? JDclsM YYlodlifced f^cp^sscons jot diaftacfce-rtcsttc pbuLO.Ynd&L$ oj- timid. Stale, and

48. Estimate okl cftht ^гипсС^уь Ралат^е^Inofc-an. J. Piviz. cmL jtppl,mif v/ XQ A7^ p. M3-ZS5.

49. Использование методов периодического нагрева зондов для исследования теплофизических свойств жидкостей и газов /Филиппов JI.II., Нефедов С.Н., Кравчун С.Н., Бахарева Л.А./- Измерит, техника, 1980, 1В 6, с. 32-35.

50. Кравчун С.Н., Филиппов Л.П. О радиадионно-кондуктивном переносе тепла в режиме температурных волн. ИФЖ, 1978,т.35, № 6, с. 1027-1033.

51. Яноши Л. Теория и практика обработки результатов измерений.- М.: Мир, 1968. 462 с.

52. Литвиненко А.А. Обработка данных физического эксперимента с помощью метода наименьших квадратов. Депонирована в ВИНИТИ, № 3523-83 Деп., от 29 июня 1983 г., 26 с.

53. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ. М.: Изд. МГУ, 1978 - 256 с.

54. SKcuwa B.K!. fYlodtjiejcL G-^uXnCLSen- рал.оте£ел of jtauis.-Im/am J. Putul and Jtppl. Phyb.jmy.s, p£33--657.

55. Sfcwwo. 6.1С. ШосЩ(Ас1 РалатёЬе*. cmcL

56. JtncbL№0rL-&4u.№is&yi ndatiOYis, ^оч. ^lidsiepkejiicccl molecutcui li^oi^S.-pmmana.^

57. Pcuidhj XD.; J)cL\lid 3)tn. Pbeudo- &шпеЬеп paaame-ien. oj mottm Sali$ and thein. кпаяч, Mcrtwtes.— J, Ckm. Pbjs., 196Д.,у.77?л/Д, р.Ю6Ч-{0бЪ.66. fohatnacjasi $каята £>.1f£. Pseudo-pa-iamzЬел. oj luujuLdL etocbt: catcuJktLovL, т.е.а$иллмльit- J.JtppL.

58. Зкаята 6.It. 1fYloficpnjcisscOvl$ РалщпеЬел. Ci and Rads Acoustical раяа.т^'Ыл. of U^tujds. —Indian J. Rate, and Jlppl

59. SkcuLYVLGLfo.Jfc, gtmpfe Бср Lattice. Grtdimisen. Ралатёбелд oj Simj^ LbjiiicU, iAn-oa^k. \yd&inaJLfeefayLousi.{эЪосЫ-$ Solidl} ШО, V./Oi;A/i, p. KS1-K.S51

60. Skajwia. fc,|C. iUifLCLbOnid Ve/o&ii^ and EvaloctcOYL Oj Ps^iccto- GmLneLbZYi- РажшяЫя. oj Simptz.

61. Александров А.А. Температурный коэффициент адиабатического сжатия для воды. ИФЖ, 1984, т.37, № I, с.131-133.jtcuелх ctei wacjseTs-BWW^seOjbcL^Z^o^R-^S.

62. Филиппов Л.П., Стасенко В.А., Благонравов Л.А. Измерение отношения коэффициента теплового расширения к изобарной теплоемкости единицы объема жидкостей. Измер. техника, 1984, № I, с.48-49.

63. Голик А.З., Адаменко И.И., Верецкий В.В. Исследование скорости распространения ультразвука на частотах 0,62-10 МГц в н-гептане, н-октане и циклогексане. УФЖ, 1972, т.17, с.1048-2051.

64. Варецкий В.В. Исследование уравнения состояния и упругих свойств молекулярных жидкостей. Дис. канд. физ.-мат.наук, Киев, 1977 - 131 с.

65. Мелихов Ю.Ф., Отпутценков Н.Ф. Исследование акустических свойств жидкого н-октана, В сб.: Ультразвук и физико-хи-мпческие свойства вещества - Курск, 1974, вып.8, с.166-170.

66. Кирьяков Б.С., Отпутценков Н.Ф. Акустические и упругие свойства н-пентана, н-гептана, н-декана. В сб.: Ультразвук ифизико-химические свойства вещества. Курск, 1974, вып.8, с. 152-159.

67. Кирьяков Б.С. Акустические и упругие свойства ряда н-пара-финов. Дис. канд. физ.-мат.наук, М.: 1981 - 140 с.

68. Филиппов Л .П. 0 тепловом расширении жидкостей. В кн.: Физика и физико-химия жидкостей. - М.: Изд-во МГУ, 1972, вып.1, с. 17-24.

69. Филиппов Л.П. О связи поверхностного натяжения со сжимаемостью и теплотой испарения жидкостей. ЖФХ, 1980, т.54, J6 II, с. 2979-2980.

70. Филиппов Л.П. Об особой роли молярного объема при описании свойств жидкостей и сжатых инертных газов. В сб.: Ультразвук и физико-химические свойства вещества. - Курск, 1975, & 9, с. 7-21.

71. Герасимов А.А., Григорьев Б.А. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости н-гексана. Изв. ВУЗов. Нефть и газ, 1978, № 5, с. 46-48.

72. Яшин Г.С. Экспериментальное исследование изобарной теплоемкости органических жидкостей и их смесей. Автореф. дис. канд. техн. наук. Грозный, 1977, - 24 с.

73. DoаоГаЛКД FamlcavtfcL G-.T., W Cocta JfcR Calo*clmdHtc Prtope^te o| la-HeptaШ f<tom 00±o5lOK,

74. Rcq. AfbS, 135^7v.537 A/3> p.139-153

75. Jamn 1Ц TMlIcTP., Ымайо ft.S. pWict taat &xpa.CLb| mote accuKohl^. — Н^сЫэсал-Ьяк. P^oas-slruj,, 13 Щ Л/3, p./53-/56.

76. Филиппов I.П. Расчет и прогнозирование изохорной теплоемкости жидкостей. В кн.: Теплофизические свойства веществ и материалов. - М.: изд-во Стандартов, 1982, вы. 16, с.10-14.

77. Неферов C.H. Метод исследования комплекса теплофизических свойств жидкостей. Дис. канд. физ-мат.наук, М.: 1980, 146 с.

78. Кравчун С.Н. Исследование теплофизических свойств жидкостей. Дис. канд. физ.-мат. наук, М.: 1983, 206 с.