Метод периодического нагрева в линейном и нелинейном режимах. Теплофизические свойства н-гексана в окрестности критической точки Абдулаева, Вера Михайловна

Введение к работе

Актуальность темы. Исследование теплофизических свойств в окрестности критическігх точек и фазовых переходов второго рода остается одной из актуальных задач физики конденсированного состояния вещества. Основные черты критических явлений и фчзовых переходов второго рода в настоящее время можно считать хорошо установленными (I). Вместе с тем, остаются проблемы, требующие для своего решения дальнейших экспериментальных исследований.

Настоящая работа продолжает традиционное направление исследований, на кафедре молекулярной физики и физических измерений Физического факультета МГУ - разработку и развитие новых перспективных методов измерения теплофизических свойств, исследование различных жидкостей в широком диапазоне состояний с целью выявления общих закономерностей поведения теплофизических свойств на основе теории термодинамического подобия, создание методов их расчета и прогнозирования (2).

Метод периодического нагрева в зондовом варианте в настоящее время используется для исследований твердых тел в окрестности фазовых переходов первого и второго рода, в области стеклования жидкостей, в окрестности критической точки жидких смесей.

При использовании метода для исследования окрестности критической точки жидкость-пар или других областей с аномальным поведением вещества возникает) ряд проблем, требующих дальнейшей теоретической его проработки и опробования в условиях эксперимента по измерению теплофизических свойств.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка метода периодического нагрева применительно к измерению теплофизических свойств в окрестности критической точки жидкость-пар, а также исследование с его помощью н-гексана - вещества, хорошо изученного в широкой области состояний.

' В соответствии с вышеизложенным, в данной работе были поставлены следующие задачи:

рассмотреть характер изменения погрешностей измерения при приближении к критической точке;

разработать теорию метода периодического нагрева плоского зонда с учетом нелинейных эффектов, обусловленных зависимостью теплофизических свойств исследуемой жидкости от температуры;

определить границы, в которой могут наблюдаться отклонения от гидродинамического приближения, может проявляться частотная зависимость теплофизических характеристик жидкости;

-провести реконструкцию установки в соответствии с требованиями, предъявляемыми к эксперименту в окрестности критической точки жидкость-пар;

1. Алисимов М.А., Рабинович В.А., Сычев В.В. Термодинамика критического состояния индивидуальных веществ.- М.: Энергоатомиздат, 1990 - 190 с.

2. Филиппов Л.П. Методы расчета и протезирования свойств веществ.- М.: Изд-во МГУ, 1988 - 254 с.

выявить возможности регистрации нелинейных колебаний температуры и использования этих данных для определения производных от теплофизических свойств по температуре (при Р = const);

произвести измерения теплофизических характеристик н-гексана и амплитуд нелинейных колебаний температуры зонда на трех изобарах, на которых хорошо проявляются максимумы теплопроводности Я и теплоемкости С^р (С_р - удельная теплоемкость, р - плотность);

установить на основе имеющихся экспериментальных данных зависимость параметра Л ("критической амплитуды") в соотношении Л.П.Филиппова для сингулярной составляющей теплопроводности от критического фактора сжимаемости Zc;

сопоставить полученные экспериментальные данные с результатами расчетов на основе соотношений, предложенных для описания теплофизических свойств н-гексана в окрестности критической точки.

Научная новизна. В работе проведен детальный теоретический анализ совокупности задач, раскрывающих возможности и определяющих пределы использования метода периодического нагрева в окрестности критической точки жидкость-пар и других областях аномального поведения теплофизических свойств.

Рассмотрен характер изменения коэффициентов чувствительности, от которых зависят погрешности измерения Я, Ср/>, а= у*~, , В = АЯС_?р, при

приближении к критической точке.

Разработана теория метода периодического нагрева плоского зонда с учетом зависимости теплофизических свойств исследуемой жидкости от температуры и обуславливающей появление гармоник колебаний температуры зонда. Учтены другие нелинейные факторы, дающие дополнительный вклад в гармоники регистрируемого сигнала.

Определена граница применимости гидродинамического приближения (н-гексан, критическая изохора). Указаны пути снижения амплитуды колебаний температуры исследуемой жидкости в процессе измерений.

Установлена возможность регистрации нелинейных колебаний температуры зонда и измерения на основе этого величины

±(Л ₊й.{\ ₊й(р.)

сДлЧ Х\0Г), _Р\0Г),

Проведено измерение тепловой активности В = jA.C_fp и величины g н-гексана на трех изобарах р, =3,29 МПа; р₂ =3,186 МПа; р₃ =3,137 МПа в диапазоне температур - 505 -=- 515 К, а также сопоставление измеренных и рассчитанных значений (расчет проведен с использованием соотношений, предложенных для описания теплофизических свойств н-гексана в критической области).

Практическую ценность представляет установка, реконструированная с учетом требований, предъявляемых к эксперименту в окрестности критической точки жидкость-пар и позволяющая измерять комплекс теплофизических свойств в области температур - 300 -5- 600 К при давлениях ~ 0,1 -^ 30 МПа.

Установленная связь параметра Л и Zc, может служить основой для оценки теплопроводности жидкости, используемой в технических агрегатах при условиях близких к ее критическому состоянию.

Апробация работы и публикации.

Основное содержание диссертации опубликовано в девяти работах.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзном совещании-семинаре молодых ученых "Явления переноса в газах и жидкостях" /Алма-Ата, 1986/, Всесоюзной научно-технической конференции "Методы и средства теплофизичееких измерений" (Севастополь, 1987), V Всесоюзной школе молодых ученых и специалистов "Современные проблемы теплофизики" (Новосибирск, 1988), IX Всесоюзной теплофизической школе "Новейшие исследования в области теплофизичееких свойств" (Тамбов, 1988), VIII Всесоюзной конференции по теплофизическим свойствам веществ (Новосибирск, 1988). Данные работы были предоставлены на V Всесоюзной конференции "Метрологическое обеспечение теплофизичееких измерений при низких температурах" (Хабаровск, 1988), IX Теплофизической конференции СНГ (Махачкала, 1992).

Результаты исследований бьии опубликованы в двух научных журналах:

3. Филиппов Л.П., Кравчун С.Н., Абдулаева В.М. Регистрация температурных волн в термически нелинейных средах,- Вестник Московского Университета, сер.З, физика, астрономия, 1988, т.29, МЬ 1, с.97-100;

4. Кравчун С.Н., Абдулаева В.М. Исследования теплофизичееких свойств н-гексана в окрестности критической точки методом периодического нагрева в линейном и нелинейном режимах.- Известия СО АН СССР, серия технических наук, 1989, вып. 3, с. 31-39.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание диссертации изложено на 100 страницах машинописного текста и иллюстрировано 30 рисунками и II таблицами, список литературы состоит из 103 наименований. В приложении приведены таблицы экспериментальных и рассчитанных значений теплофизичееких свойств н-гексаяа ня изобарах р, =3,290 МПа; р₂ =3,186 МПа; р₃ =3,137 МПа в интервале температур - 505 * 520К. Общее количество страниц диссертации - 171.