Термические и калорические свойства перегретых жидкостей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Условные обозначения

ВВЕДЕНИЕ . б

1. ФИЗИКА МЕТАСТАБИЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ

1.1. Метастабильные состояния

1.2.Статистические теории и метастабильные жидкости.

1.3. Экспериментальное изучение метастабильных ; состояний

1.4. Уравнения состояния перегретых жидкостей

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

2.1. Экспериментальная установка для измерения . р , , Т -данных перегретых жидкостей.

2*2. Методика измерений

2*34 Погрешность измерений 2.4. Результаты измерений

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ КАЛОРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ

3.1. Экспериментальная установка для измерения . изобарной теплоемкости перегретых жидкостей

3.2. Методика измерений

3.3. Погрешность измерений

3.4. Результаты измерений

4. ПОЛУЭМПИРИЧЕСКОЕ ОПЮАНИЕ ТЕРМИЧЕСКИХ И КАЛОРИЧЕСКИХ,

СВОЙСТВ ПЕРЕГРЕТЫХ ЖИДКОСТЕЙ.

4.1. Общая форма уравнения состояния перегретых жидкостей

4.2. Подобие свойств веществ

4.3. Применение теории термодинамического подобия к построению уравнений состояния перегретых жидкостей.

4.4. Граница абсолютной неустойчивости (спинодаль) . перегретых жидкостей

Метастабильные состояния жидкости CneperpeBH") реализуются. в теплообменных аппаратах с большими тепловыми нагруз** ками. Значительные перегревы наблюдаются в ряде физикохи»» мических технологий, а также в. таких технологических цро*» цессах, как. охлаждение вакуумированием,. дренирование и т.»п. Возникновение метастабильных-фаз.может оказать существенное влияние-на работу аппаратов и протекание технологических процессов., -Так учет, перегревов, при .распылении, жидкого .топлива и при получении-аэрозолей позволяет поднять, к.п.д,. этих про* цессов* С другой, стороны, гидравлический.удар, возникающий при-СНЯТИИ перегрева, может привести к отрицательным послед* ствиям, .Таким, образом, экспериментальное и теоретическое изучение метастабильных- состояний, создание методик .вычисления и предвычисления.их-СВОЙСТВ.имеет большое практическое.значение. И не.только практическое, .Создание.полной теориижид«». кости, понимание ее структуры невозможно без учета метаста-» бильных состояний и-.их свойств.... .Основой, анализа данных, любого.теплофизического эксперимента является уравнение-.состояний .для.составления которо*го нужны данные. Для.метастабильных жидкостей такие экспериментальные данные.получены.всего для.пяти веществ [ij..Это--нгексан,.диэтиловый.эфир, .аргон, вода.и тяжелая вода,.Имеющиеся экспериментальные-данные для. фреонов [.гХи.бензола.ГЗ] не.позволяют получить хорошие уравне*. ния состояния. Необходимо-накопление экспериментальных Р -данных и для использования их в практике и для теоретических обобщений. Исследование калорических свойств перегретых жидкостей вообще только начаты. В работе Ij приведены результаты измерения скорости ультразвука для ряда перегретых жидкостей с заходом в метастабильную область, используя которые, можно рассчитывать калорические свойства перегретых жидкостей. Но такие расчеты нуждаются в проверке, т.к. высокая точность расчетов термодинамических величин не обеспечивается- высокой точностью экспериментов по определению скорости ультразвука 5 Нужны прямые измерения калорических свойств перегретых жидкостей. Есть краткое сообщение об измерении в нескольких точках теплоемкости жидкого гелия с заходом В-метастабильную область [4j. Импульсным методом проведены измерения для н-пентана комплекса рСэ .[б J. Диссертационная работа посвящена исследованию термических (на примере ацетона и двуокиси углерода) и калорических (на примере н-гексана) свойств перегретых жидкостей и методов их предвычисления, В первой главе дано краткое введение в термодинамическую теорию метастабильных состояний. Рассмотрена возможность их описания методами статистической физики, Дан обзор основных работ, посвященных экспериментальному исследованию термических и калорических свойств метастабильных жидкостей и методам их расчета. Во второй главе описана экспериментальная установка для измерения р Т -данных перегретых жидкостей. Приведены результаты измерений для ацетона и двуокиси углерода. В третьей главе описана установка для измерения теплоемкости жидкости с заходом в метастабильную область и приведены результаты эксперимента с н-гексаном. Четвертая

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В нстоящей работе проведено изучение термических и калорических свойств перегретых жидкостей. Основные результаты и выводы можно сформулировать следующим образом.

1. Спроектирована и изготовлена экспериментальная установка для измерения р ,/О ; Т «данных-перегретых жидкостей. В установке используется поршневое расширительное устройство. Это позволяет применять ее для исследования как. нормальных жидкостей, так и жидкостей, точки кипения которых лежат в диапазоне от 273,15 до 213,15 К. Разработана относи*-тельная методика расчета удельных, объемов по результатам измерений давления и перемещения поршня с помощью емкостных датчиков. .

2. Впервые получены экспериментальные р , , Т -данные в метастабильной.области технически важных жидкостей: ацетона и двуокиси углерода. Для ацетона р ,.17 , Т -данные получены впервые и в стабильной области.

3. Разработана методика и собрана.установка для измерения методом протока изобарной теплоемкости перегретых жидкостей.

4. Впервые проведены прямые измерения изобарной теплоемкости н-гексана с глубоким заходом в метастабильную область .

5. Проведено сравнение полученных результатов с результатами определения теплоемкости по скорости ультразвука в стабильной и метастабильной жидкости. Сделан вывод о том,. что расчет теплоемкости по уравнению состояния обладает б олее высокой точностью по сравнению с расчетом теплоемкости по скорости ультразвука.

6. Предложен метод аппроксимации изобарной теплоемкости в метастабильной области, основанный на привязке к спинодали.

7. Предложена, общая форма записи уравнения состояния перегретых жидкостей. В такой форме составлены уравнения состояния ацетона, н-гексана, двуокиси углерода и диэтилового эфира. Погрешность полученных уравнений находится на уровне.погрешности экспериментальных данных. Показано, что для, двуокиси углерода в.метастабильной области работает единое уравнение состояния. 8.-Результаты измерений р-, $ , -данных обработаны в терминах однопараметрической теории термического подобия. Найдена зависимость производной.кьт/ър)^ » описывающей наклон изохор, от коэффициента подобия.А . На этой основе разработаны способы предвычисления р , , ~Г -данных как.в.стабильной, так и в метастабильной областях по минимальному количеству исходной информации.

9. Показано, что методику составления уравнений.состояния перегретых жидкостей на.основе однопараметрической теории подобия можно упростить, если учесть наличие в приведенных координатах единой зависимости для "нулевых" изобар различных, жидкостей. .

10. Показана возможность описания изобарной теплоемкости жидкости в метастабильной и стабильной областях на основе однопараметрической теории термодинамического подобия. и обратного значения изотермической сжимаемости

II. Показана прямолинейность изохор производ: висимости от температуры и давления. Предложена методика определения границы устойчивости фаз (спинодали) перегретой жидкости и пересыщенного пара путем экстраполяции этих изохор к нулю.

12. Цредложены обобщающие формулы расчета , ,-«величин на спинодали на основе однопараметрической теории термодинамического подобия.

В заключение автор считает своим долгом выразить благодарность научному руководителю кандидату физико-математических наук Г.В.Ермакову и профессору, доктору физико-математических наук В.П.Скрипову за постоянное внимание и содействие работе. Автор также признателен сотрудникам лаборатории сверхпроводимости и низкотемпературной теплофизики ОФТПЭ УНЦ АН СССР, особенно Н.М.Семеновой, за полезные замечания и поддержку в работе.

1. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии / Скрипов В.Щ, Синицын E.H., Павлов П.А. и др. - М.: Атомиздат, 1980. - 208 б.

2. Скрипов В.П., Чуканов В.Н., Байдаков В.Г., Буланов Н.В.-Сжимаемость, вязкость и теплопроводность перегретых жидкостей. В кн.: Теплофизические свойства жидкостей. М., Наука, 1976, с. 121.

3. Чуканов В.Н., Штоколов Э.А. Измерение сжимаемости перегретого жидкого бензола. В кн.: Теплофизические свой« ства жидкостей и взрывное вскипание. Свердловск, Из-во УНЦ АН СССР, 1976, с. 48.

4. Dahe D., Moldover M.R. Metastable Thermodynamic states near the critical poin of He . Phys.Rev.Lett., 1971» v. 27, No 21» p. 1421 - 1424.

5. Street w.a.Thermodynamic properties of liguid Argon at high pressure calculated from PVTTand seund-veiocity data. Physika, 1974, 76, Яо I, p. 59 - 72.

6. Леонтович U.A. Введение в термодинамику. М.: Гостех-издат, 1951. - 200с.

7. Базаров И.П. Термодинамика.- М.: Высшая школа, 1983.- 344 с.

8. Гиббс Д.В. Термодинамика. Статистическая физика. ~м.: Наука, 1983. 584 с.

9. Семенченко В.К. Избранные главы теоретической физики.-М.: Просвещение, 1966. « 396 с.

10. Скрипов В.П. Метастабильная жидкость. М.: Наука,1972.-312 с.

11. ЗГайт Р., Джебел Т. Дальний порядок в твердых телах. -М.: Мир, 1983, с. 445.

12. Van Hove L. Physika, 1949, v. 15, p. 951.

13. Katsura S. On the phase transition. J.öhem.Phys., 1954, 22, Но 7, p. 1277 - I27Ö.

14. Хилл Т. Статистическая механика. M.: Из-во Иностранной литературы, I960. - 487 с.

15. Leoowitz J. Penrose. Math.Phys. 1967, v. JO, p. 615.

16. Балеску P. Равновесная и неравновесная статистическая механика.: В 2-х т. М.: Мир, 1978,.т.I. - 406 с.

17. Крокстон К. Физика жидкого состояния. « М.: Мир, 1978.-«ûc.

18. Физика простых жидкостей: Статистическая теория / Под ред. Г.Темперли, Дж.Роу лине она, Дж.Рашбрука. ~М.: Мир, 1971. 356 с.

19. Физика простых жидкостей: Экспериментальные исследования/ Под ред. Г.Темперли, Дж.Роулинсона, Дж.Рашбрука. -М.: Мир, 1973. « 400 с.

20. Ермаков Г.В. Граница устойчивости и уравнение состояния жидкости вблизи линии насыщения. Журн.физ.химии,1984, т.18, M I, с. 244.22. wismer K.L. J. Phys.Chem. 1922, v. 26, p.501

21. Denny V.E., Smith R.L., J.Chem. Engang. Data, 1967, v. 12, p. 394.

22. Ермаков Г.В., Скрипов В.П. Экспериментальное определение удельных объемов перегретых жидкостей. ТВТ, 1968, т. 6, с. 89 - 96.

23. Ермаков Г.В., Скрипов В.П., Чуканов В.Н. Удельные объемы жидкого н-гексана в перегретом состоянии. В кн.: Труды Уральского политехнического института, Свердловск, 1965, вып. 143, с. 120. .

24. Ермаков Г.В., Буланов Н.В., Скрипов В.П. Удельные объемы жидкого перегретого диэтилового эфира. В кн.: Теплофизика. Вып. I. Свердловск, Из-во УНЦ АН СССР, 1971, с.II.

25. Ермаков Г.В. Исследование границы спонтанного вскипания и сжимаемости перегретых.жидкостей.-Дис. на соис. учен, степени канд. физ.-матем. наук. Свердловск: Уральский политехи, ин-т им. С.М.Кирова, 1968. . .

26. Ермаков Г.В., Байдаков В.Г., Скрипов В.П. Плотность неперегретого диэтилового эфира и граница устойчивости жид^-кого состояния. ~ 1урн.,физ. химии, 1973, т. 47, с. 1026.

27. Чуканов В.Н., Скрипов В.П. Уравнение состояния воды для метастабильной области. Граница термодинамической устойчивости. ТВТ, 1971, т. 9, $ 5, с. 1071 1073.

28. Евстефеев В.Н., Чуканов В.Н., Скрипов В.П. Удельные объемы перегретой воды. ТВТ, 1977, т. 15, с. 659.

29. Евстефеев В.Н., Чуканов В.Н., Скрипов В.П. Удельные объемы перегретой тяжелой воды. Теплоэнергетика, 1977,1. М 9, с. 66 69.

30. Байдаков В.Г., Скрипов В.П., Каверин A.M. Экспериментальное исследование жидкого аргона в метастабильном состоянии. -.2. эксперим. и теор. физ., 1974, т. 67, вып.2(8), с. 676. . .

31. Ермаков Г.В., Йсмагилов Р.Г. Скорость ультразвука, адиабатическая сжимаемость и теплоемкость перегретого н-гексана. ТВТ, .1976,. т. 14,. с. 1097.

32. Ермаков Г.В., йсмагилов Р.Г. Вычисление термодинамических свойств, перегретой жидкости из данных по скорости ультразвука. В кн.: Теплофизика метастабильных систем. Свердловск, Из-во УНЦ АН.СССР, 1977, с. 48.

33. Байдаков В.Г., Скрипов В.П. Скорость звука в перегретом . жидком ксеноне. 1. физ. химии, 1976, т. 50, с. 1309.

34. Евстефеев В.Н. Экспериментальное изучение термодинамических свойств обычной и тяжелой воды в перегретом со-, стоянии. Дис. на соиск. учен, степени канд. физ.-матем. наук. Свердловск: Уральский политех, ин-т им. С.М.Кирова, 1978.

35. Байдаков В.Г., Скрипов В.П. Термодинамические свойства жидкого аргона в метастабильном (перегретом) состоянии. Препринт ТФ-001/7801. Свердловск, Из-во УНЦ АН СССР, 1978, с. 54.

36. Йсмагилов Р.Г., Ермаков Г.В. Скорость звука в некоторых перегретых органических жидкостях. ТВТ, 1982, т. 20, & 4, С. 677 - 682.

37. Fürth R. Ргос. Cambridge PJiilas. Soc. I94I,v.37,p.252.

38. Синицын E.H., Виноградов B.E. Аппроксимация спинодали нормальных жидкостей. ТВТ, 1980, т. 18, & 5, с. IIOI.

39. Schwarz Е. Begchampf. Monats. Chem., 1959, v. 90,-VyNo 5, p. 418 425*

40. Himpan J. Die definitive Form der neuen Thermischen

41. Justandsgleichung nebst ihren Stoffkoustanten von über 100 verschiedenen Stoffen. Monatsh. Chem,, 1955, 86, No 2, p. 259 268.

42. Гиршфельдер Дж., Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. М.: Из-во иностр. лит., 1961,с. 656.

43. Оно С., Кондо С. Молекулярная теория поверхностного натяжения в жидкостях. М.: Из-во иностр. лит., 1963,с. 326.

44. Stein W.A. Methoden zum Aufstellen von Zustandgleichungen für reine fluide Stoffe. - Braunschweig,1965,526.

45. Алтунин B;B. Теплофизические свойства двуокиси углерода. М.: Из-во стандартов, 1975, с. 551.

46. Таблицы теплофизических свойств воды и водяного пара/ Вукалович М.П., Ривкин СЛ., Александров A.A. М.:Из-во стандартов, 1969, с. 636.

47. Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона/ Рабинович В.А., Вассерман A.A. и др. М.: Из-во стандартов, 1976, с.

48. Устюжанин Е.Е. Экспериментальное исследование плотности газообразного и жидкого азота в интервале температур 80200 К до давления.300 370 бар. Автореф. дис. на соиск. учен.степени канд.техн. наук. М. Московский ордена Ленинаэнерг. ин-т, 1972.

49. Гадецкий О.Г. Исследование методов построения единых уравнений состояния на основе обработки разнородных опытных данных с применением ЭЦВМ. Автореф. дис. на соиск. учен, степени канд. техн. наук. М. Моск. ордена Ленина ин-т, 1972.

50. Семенова Н.М., Ермаков Г.В. К определению границы термодинамической устойчивости однородной жидкости. В кн. Теплофизика метастабильных систем. Свердловск, Из-во УНЦ АН СССР, 1977, с. 73-77.

51. Башкатов Н.В., Ермаков Г.В. Экспериментальная установка и результаты измерений р ,., Т -данных перегретого жидкого ацетона. ТВТ, 1979, т. 17, М 5, с. III5.

52. Минович В.М., Сорина Г.А. Об установлении термического равновесия в окрестности критической точки чистого вещества. I. физ. химии, 1971, т. 45, вып. 4, с. 952-954.

53. Муратов Г.Н., Скрипов В.П. Поверхностное натяжение двуокиси углерода. ТВТ, 1982, т. 20, & 5, с. 596 - 598.

54. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: Наука, 1972, 720 с.

55. Попов М.М. Термометрия и калориметрия. М.: Из-во МГУ, 1954, с. 942.

56. Ермаков Г.В., Башкатов Н.В. Экстраполяция теплоемкости вобласть метастабильных состояний. В кн.: Перегретые жидкости и фазовые переходы. Свердловск, Из-во УНЦ АН СССР, 1979, с. 73.

57. Ермаков Г.В., Байдаков В.Г., Скрипов В,П. Плотность перегретого диэтилового эфира и гарница устойчивости жидкого состояния. Ж.физ.химии, 1973, т. 47, £ 4,с.102б.

58. Rieder H. Die Flüssigkeitsdichte im Sattiguguszustad. Untersuchungen über eine Erweiterung des Theorems der übereinstimmenden Zustände Teil II.- Chem.- Ing.-Techn., 1954, 26, No 5» P. 259 264.

59. Pitzer К. The volumetric and Thermodyaamic properties of Jj'luids X. J.Amer. Chem. Soc., 1955, 77, No 13, p. 3427 - 3433. '

60. Pitzer K.S., Lippmann. D.Z., Gurí R.F., Huggins Oh.M., Petersen D.E.-Journ.Amer.Chem.1955,v.77,No 13, 3433.

61. Филиппов Л.П. О применении теории подобия к описанию свойств жидкостей. I. р , ,.Т -соотношения.

62. П.Вязкость. Вестн. Моск. ун-та. Сер. физика. 1956, Jê I, с. III.

63. Филиппов Л.П. Подобие свойств вещества. М.: Из«во Моск. ун-та, 1978, с. 255.

64. Байдаков В.Г., СкриповВ.П., Каверин A.M. Экспериментальное исследование жидкого аргона в метастабильном состоянии. 1ЭТФ, 1974, т. 67, £ 8, с. .666-682. . .

65. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1971. - 704 с.

66. Башкатов Н.В., Бебенина Т.А., Ермаков Г.В. Применение теории термодинамического подобия к построению уравнения состояния перегретой жидкости.-Е.физ. химии, 1982, т. 56, J§ 8, с. 2071-2074.

67. Сычев В.В., Вассерман A.A., Загорученко В.А. и др. Термодинамические свойства метана. М.: Из-во стандартов, 1979 - с.

68. Амирханов Х.И., Алибеков Б.Г., Вихров Д.И., Мирская В.А., Изохорная теплоемкость и другие калорические свойства углеводородов метанового ряда. Махачкала, Дагестане^ кое книжное издательство, 1981, - 356 с.

69. Васеерман A.A., Казавчинский А.З., Рабиновив В.А. . Теплофизические свойства воздуха и его компонентов.~1. М.: Наука, 1966, ~ 624 е.

70. Муратов Г.Н., Синицын E.H. Поверхностное натяжение ацетона. « В кн.: Теплофизика и термодинамика. Свердловск, йз-во.УНЦ АН СССР, 1974 с. 34 - 37.

71. Ермаков Г.В., Башкатов Н.В. К определению границы устойчивости однородной фазы. ~ S. физ. химии, 1976, т. 50, 19, с. 2395 - 2397.