Исследование и выбор оптимальной техники физического эксперимента по определению теплофизических характеристик материалов на основе учета ангармонического характера колебаний атомов Сачавская, Наталья Алексеевна

Введение к работе

Актуальность проблемы.

Для конструкторских расчетов, правильного выбора оптимальных эксплуатационных режимов необходимо знать теплофизические характеристики материалов.

Среди большого числа теплофизических характеристик одними из важнейших являются теплопроводность, коэффициент теплового расширения, коэффициент всестороннего сжатия и вязкость.

Зксиеримешальное определение теплофизических характеристик в большинстве случаев трудновыполнимо и требует больших затрат труда, средств и материалов. Процесс очень растянут во времени.

Строгий теоретический расчет не всегда возможен. Основные ограничения этого пути связаны с отсутствием сведений о силах межатомного взаимодействия изучаемого материала.

Разработка и применение приближенных эмпирических формул приобретает особенно существенное значение.

Для получения эмпирических формул в настоящей работе был использован статистический метод. Он основан на анализе известного фактического материала и выявлении взаимосвязи между теплофизи-ческими свойствами и физико-химическими и структурными характеристиками элементов.

Получение эмпирических формул состояло из нескольких этапов:

1. Выбор существенных признаков, то есть факторов, которые бы наилучшим образом характеризовали межатомные связи элемента и их температурную зависимость.

2. Построение статистических графиков, координатами которых служат определяющие факторы.

3. Исследование влияния сил ангармонического взаимодействия на каждую из теплофизических характеристик.

4. Установление общего вида температурной зависимости тепло-физической характеристики, а затем определение с помощью корреляционного анализа численных значений постоянных, входящих в уравнение.

Статистический метод позволяет получить эмпирические формулы для теплофизических характеристик, используя следующие факторы:

фактор, характеризующий природу химической связи элементов-электроотрицательность (о);

фактор структуры элемента - число межатомного взаимодействия (Z);

объемный фактор (і'О;

температурный фактор (Г_м, Т_к). Силы взаимодействия атомов обеспечивают термическую прочность кристаллической решетки. Эти силы можно приближенно оценить по критической температуре вещества Т_к и его температуре плавления Г_м;

фактор, характеризующий способность тела накапливать теплоту,-теплоемкость тела;

фактор, характеризующий действие сил ангармонического взаимодействия.

Данная работа направлена на получение новых эмпирических формул, позволяющих определять с достаточной точностью численные значения теплофизических характеристик по другим физическим величинам, требующим при их измерении меньшей трудоемкости и менее сложной аппаратуры.

Работа по теме диссертации выполнена на кафедре «Экспериментальной физики» Алтайского Государственного Технического Университета.

Основная цель работы - исследование влияния сил ангармонического взаимодействия на некоторые теплофизическис характеристики и получение эмпирических формул для определения коэффициента вязкости, коэффициента теплового расширения, коэффициента теплопроводности и модулей упругости по другим физическим величинам, требующим для своего замера менее сложной техники физического эксперимента, чем для прямого измерения указанных характеристик.

Поставленная цель достигалась решением следующих основных задач: разработка математической модели сил ангармонического взаимодействия, исследование влияния сил ангармонического взаимодействия и других факторов на температурную зависимость теплофизических характеристик, исследование и обработка известного справочного материала по теплофизическим характеристикам.

Научная новизна работы.

О том, что силы ангармонического взаимодействия оказывают существенное влияние на теплофизическис характеристики, известно в научной литературе. Однако, теория ангармонического взаимодействия находится в такой стадии, когда еще нельзя установить количественную зависимость теплофизических характеристик от сил ангармонического взаимодействия.

В диссертации впервые при феноменологическом подходе к проблеме сил ангармонического взаимодействия дано аналитическое выражение этих сил. Установлено влияние сил ангармонического взаимодействия на каждую теплофизическую характеристику.

Получены эмпирические формулы следующих теплофизических характеристик (для твердого и жидкого состояний): коэффициента изотермической сжимаемости, коэффициента теплового расширения,

КОЗффиЦїїсНТЗ ТсПЛОІІрОВОДНОСТИ, Коэффициента ВЯЗКОСТИ ЖИдКОС"! и.

Часть эмпирических формул содержит критическую температуру. Для определения критической температуры и установления ее связи с изотермической сжимаемостью и температурой Дебая в настоящей работе предложено единое уравнение агрегатного состояния вещества. Это уравнение объединяет существующие уравнения для газа, жидкости и твердого состояния.

Полученные эмпирические формулы позволяют выбрать оптимальную технику физического эксперимента для определения теплофизических характеристик.

Дано объяснение связи модулей упругости с температурой плавления. Предложена гипотеза природы плавления: силы ангармонического взаимодействия возбуждают при температуре плавления прецессионные колебания с характеристической частотой и, таким образом, разрушают кристаллическую решетку (вступают в резонанс с колебаниями атомов решетки).

Практическая ценность работы заключается в том, что при определении теплофизических характеристик материалов во многих случаях можно отказаться от проведения трудоемких, дорогостоящих опытов и определить их по эмпирическим формулам, включающим физические величины, замер которых менее трудоемок.

Причем в тех случаях, когда материал представляет собой сложный состав достаточно определить теплофизическую характеристику при одной-двух температурах (реперных точках) и использовать температурную зависимость по предложенной эмпирической формуле.

Основные защищаемые положения

1. Анализ и обоснование полученного полуэмпирического уравнения агрегатного состояния вещества, вывод из него формул для определения критической температуры, коэффициента изотермической сжимаемости, коэффициента теплового расширения, постоянной Грюнай-зена и температуры Дебая.

2. Вьгеод элементарной формулы для силы ангармонического
взаимодействия и детальное исследование влияния этой силы на теп-
лофизические характеристики.

3. Анализ факторов, влияющих на силы межатомного взаимодействия, при обработке известного фактического материала по теплофи-зическим характеристикам и особенностей структурно-феноменологического подхода при выводе эмпирических формул.

4. Молекулярно-кинетігческий подход при объяснении природы плавления и связи модулей упругости с температурой плавления.

5. Обоснование выводов эмпирических формул и их применимости при определении теплофизических характеристик (снижение сложности физического эксперимента, повышение точности измерений).

Апробації}! работы.

Значительная часть работ докладывалась на Всероссийской научно-технической конференции «Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред» (Барнаул 1996), на Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Методы и средства измерений физических величин» (Нижний Новгород), все разделы диссертации докладывались на объедашснном научном семинаре по проблемам методов диагностики строения вещества и новых технологий АлтГТУ.

Публикации по теме диссертации.

По материалам, изложенным в диссертации, опубликовано 9 печатных работ, получено 3 решения на выдачу патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения, изложена на 123 листах м.п.т., содержит 15 рисунков, 13 таблиц, список литературы содержит 137 наименований.

Похожие диссертации на Исследование и выбор оптимальной техники физического эксперимента по определению теплофизических характеристик материалов на основе учета ангармонического характера колебаний атомов

Методика и техника эксперимента при определении предельно допустимых атмосферных выбросов предприятий цветной металлургииСтепанов, Александр Михайлович

Метод поляризационной лазерной спектроскопии для исследования автоионизационных состояний атомов и молекулЕлизаров Андрей Юрьевич

Применение метода рентгеноэлектронной спектроскопии для исследования спинового магнитного момента атомов в системах на основе железаЛомова Наталья Валентиновна

Разработка и создание спектрометра для исследования низколежащих состояний пионных атомов ксенонаГребенев, Валерий Николаевич

Исследование мощных резервированных транзисорных ВЧ генераторов, применяемых в технике физического экспериментаСобко, Леонид Андреевич

Актуальные проблемы методики и техники физического эксперимента в релятивистской ядерной физике и сверхпроводящие синхротроны нового поколенияКоваленко, Александр Дмитриевич

Анализ характеристик динамических голограмм в средах с керровской и тепловой нелинейностями и на обратимых фотохромных материалахИвахник, Валерий Владимирович

Методы получения и исследования физико-механических свойств композиционных материалов на основе никелида титанаОвчаренко Владимир Владимирович

Метод измерения параметров структуры многокомпонентных полимерных материалов на основе спектров текстурыАбраменко, Егор Андреевич

Автоматизация экспериментальных установок и исследование магнитотранспортных свойств материалов на основе ВТСП и замещенных манганитов лантанаБыков, Алексей Анатольевич