Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературных данных по основным физико-химическим свойствам и теплопроводности воды при атмосфер ном давлении 14
Глава 2. Особенности экспериментальных установок для измерения тепло- и электрофизических свойств жидкостей и растворов 27
2.1. Метод монотонного разогрева и его применение для разработки экспериментальной установки по измерению теплопроводности растворов в зависимости от температуры 27
2.2. Экспериментальная установка для комплексного определения теплофизических свойств при различных температурах и давлениях 33
2.3. Экспериментальная установка для исследования удельной теплоемкости жидкостей и их растворов 43
2.4. Экспериментальные установки для исследования температуропроводности исследуемых объектов методом лазерной вспышки в зависимости от давления при комнатной температуре 45
2.5. Устройство для определения электрофизических свойств магнитных жидкостей в зависимости от давления и магнитного поля 50
2.6. Расчет погрешности измерений теплофизических свойств веществ 53
Глава 3. Тепло- и электрофизические свойства системы «вода+пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления 59
3.1. Тепло- и электрофизические свойства водных растворов пентэласт-1161 в зависимости от температуры при атмосферном давлении 59
3.2. Теплопроводность системы «Вода+пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления 69
3.3. Удельная изобарная теплоемкость системы «Вода +пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления 75
3.4. Плотность водных растворов пентэласт-1161 79
Глава 4. Анализ, обобщение полученных результатов и методы расчета теплофизических и термодина-мических свойств 85
4.1. Применение уравнения типа Тейта для расчета плотности исследуемых растворов 87
4.2. Результаты экспериментальных исследований по тепло- и электрофизическим свойствам исследуемых растворов при атмосферном давлении 94
4.3. Экспериментальные исследования теплопроводности исследуемых растворов в зависимости от температуры и давления 109
4.4. Обработка экспериментальных данных по плотности, теплоемкости и температуропроводности исследуемых растворов при различных температурах и давлениях 115
4.5. Теплофизические, электрофизические свойства и плотность растворов системы «Вода +пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления 129
4.6. Взаимосвязь теплопроводности и теплоемкости растворов при высоких параметрах состояния . 136
4.7. Расчет коэффициента расширения и изотермической сжимаемости растворов при различных температурах и давлениях. 139
4.8. Расчет термодинамических свойств исследуемых растворов 143
Выводы . 146
Литература
- Экспериментальная установка для комплексного определения теплофизических свойств при различных температурах и давлениях
- Теплопроводность системы «Вода+пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления
- Результаты экспериментальных исследований по тепло- и электрофизическим свойствам исследуемых растворов при атмосферном давлении
- Теплофизические, электрофизические свойства и плотность растворов системы «Вода +пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления
Введение к работе
Актуальность проблемы. Устойчивое развитие промышленности зависит как от объема производства и ассортиментов выпускаемой продукции, так и от показателей ее качества, в число которых входят так же теплофизические, электрофизические и термодинамические свойства.
Данные теплофизических, электрофизических и термодинамических свойств веществ необходимы для научно обоснованных инженерных расчетов по усовершенствованию и оптимизации технологических процессов в широком спектре изменения параметров их состояния, которые могут служить основой для энерго- и ресурсосбережения.
При этом, использование достоверных данных тепло- электрофизических и термодинамических свойств может служить значительным потенциалом и резервом по усовершенствованию технологических режимов. Вследствие развития химической, топливной, машиностроительной и других отраслей появился ряд новых технологических процессов, протекающих при высоких температурах и давлениях, что послужило основанием для усовершенствования и интенсификации существующих процессов.
В процессе механического и теплового разрушения радиаторов автомобилей появляются трещины или швы. Обычно для того, чтобы избежать последствий от них, в теплоноситель (вода или антифриз) при определенных температуре и атмосферном давлении, добавляют некоторое количество герметического порошка (далее пентэласт-1161). При работе двигателя внутреннего сгорания порошок в теплоносителе растворяется, и часть его заполняет швы или трещины. В данном случае при растворении пентэласт-1161 в воде (дистиллированной, питьевой , а также в антифризе), меняются тепло-, электрофизические и термодинамические свойства теплоносителя.
Основными физико-химическими величинами, характеризующими свойства жидкостей, растворов и входящими в качестве основных параметров в уравнения гидродинамики и теплообмена при расчетах и проектировании процессов и аппаратов, являются тепло-, электрофизические и термодинамические свойства растворов системы «Вода+пентэласт-1161» при различных температурах и давлениях, которые имеют научное и практическое значение.
Результаты исследования теплофизических (теплопроводность, температуропроводность), электрофизических (удельное электросопротивление, электропроводность) и термодинамических свойств (плотность, удельная изобарная теплоемкость, изменение разности энтропии, энтальпии, энергии Гиббса, Гельмгольца, внутренняя энергия, разность теплоемкостей, коэффициент объемного расширения, коэффициент изотермической сжимаемости) являются основами современной молекулярно-кинетической теории газов и жидкостей.
Кроме этого, при решении ряда прикладных задач инженерно-технической и технологической направленности, имея уравнение состояния, составленное на основе данных плотности и удельной изобарной теплоемкости, становится возможным рассчитать ряд других калорических свойств различных веществ.
Цель диссертационной работы: исследование теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности, удельного электросопротивления, электропроводности, энтропии, энтальпии, энергии Гиббса, Гельмгольца, внутренней энергии, коэффициента объемного расширения, коэффициента изотермической сжимаемости системы «Воды + пентэласт-1161» ((1-6%) дистиллированная вода пентэласт-1161, (1-6%) питьевая вода + пентэласт-1161) в интервале температуры (293-573) К и давлений (0,101-29,45) МПа.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи исследования:
1. Выбор и разработка метода расчета теплофизических (ТФС), электрофизических (ЭФС) и термодинамических (ТДС) свойств растворов системы «Вода + пентэласт-1161».
2. Определение механизма переноса тепла в исследуемых растворах.
3. Усовершенствование и модернизация экспериментальной установки для измерения теплопроводности, теплоемкости и температуропроводности в зависимости от температуры и давления.
4. Получение экспериментальных значений теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности (при температуре (293-573) К), а также удельного электросопротивления и электропроводности (при температуре (293-338) К) и давлении – (0,101-29,25) МПа.
5. Установление влияния температуры, давления и массы пентэласт-1161 на теплофизические, электрофизические и термодинамические свойства исследуемых растворов.
6. Определение аппроксимационной зависимости взаимосвязи теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности, электросопротивления и электропроводности от температуры, давления.
7. Оценка взаимосвязи теплофизических, электрофизических и термодинамических свойств исследуемых растворов в широком интервале параметров состояния.
8. Получение, для исследуемых растворов, корреляционной зависимости ; ; ; в широком интервале параметров состояния.
9. Составление уравнения Тейта для исследуемых растворов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Для исследуемых растворов усовершенствованы методики расчета термодинамических, тепло- и электрофизических свойств и коэффициентов уравнения состояния типа Тейта.
2. Для измерения теплофизических и электрофизических свойств, модернизированы и усовершенствованы экспериментальные установки.
3. Для исследуемых растворов (до 12г (6%) пентэласт-1161) с интервалом температур (293-573) К и давлений (0,101-29,25) МПа и электрофизических свойств (при Т =(293-338) К и Р = 0,101 МПа), получены данные экспериментальных исследований по теплофизическим, термодинамическим свойствам.
4. Получены аппроксимационные зависимости, описывающие , , , , . Рассчитаны коэффициенты теплового расширения, изотермический коэффициент сжимаемости, термический коэффициент давления, внутреннее давление, разность энтальпии, разность теплоемкости, разность энтропии, удельная энергия Гиббса, Гельмгольца, внутренняя энергия исследуемых растворов при различных температурах и давлениях, с применением уравнение Тейта - и зависимости .
5. Определена взаимосвязь между теплопроводностью, теплоемкостью, температуропроводностью, а также электропроводностью от плотности исследуемых объектов в широком интервале параметров состояния (Т =(293-573) К, Р = (0,101-29,25) МПа.
На защиту выносятся:
1. Усовершенствованные измерительные устройства с научным обоснованием возможности их адаптирования для исследований тепло- и электропроводности растворов в широком интервале температуры и давления.
2. Экспериментальные данные по температуропроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности (Т=(293-573) К, Р=(0,101-29,25) Мпа), удельному электросопротивлению, электропроводности (Т=(293-338) К, Р=0,101 МПа).
3. Результаты экспериментальных исследований по термодинамическим и калорическим свойствам с учетом разности энтропии, разности энтальпии, удельной энергии Гиббса, Гельмгольца, коэффициента изотермической сжимаемости, коэффициента объемного расширения, разности теплоемкости, внутренней энергии растворов в диапазоне (Т=(293-573) К, Р=(0,101-29,25) МПа).
4. Методика расчета тепло- и электрофизических свойств исследуемых растворов при анализе процессов тепло- и электропереноса.
5. Эмпирические уравнения и уравнение Тейта при расчете тепло-, электрофизических свойств системы «Вода + пентэласт-1161» в широком диапазоне температур и давления.
Практическая ценность работы:
1. Для исследуемых растворов разработана методика обобщения уравнения состояния Тейта и показана возможность её применения к другим видам уравнений состояния.
2. На основе молекулярных структур исследуемых растворов, теоретически обосновано прогнозирование их теплофизических свойств.
3. Представлен анализ теплопроводности и электропереноса исследуемых растворов с помощью разработанной модели структуры водных растворов.
4. Для оперативного определения теплофизических и электрофизических свойств материалов в лабораторных условиях усовершенствованы и модернизированы экспериментальные установки.
5. Дополнительно в банк данных представлены материалы по теплофизическим, электрофизическим и термодинамическим величинам химических соединений.
Результаты исследования внедрены:
- результаты проведенных исследований по теплофизическим, электрофизическим и термодинамическим свойствам водных растворов системы «Вода+пентэласт-1161» внедрены в Институте химии им. В.И. Никитина АН Республики Таджикистан при расчетах технологических процессов, а экспериментальные данные используются в качестве справочного материала;
- материалы исследований используются в Институте водных проблем, гидроэнергетики и экологии АН Республики Таджикистан для инженерных расчетов;
- усовершенствованная аппаратура для измерения теплофизических и электрофизических свойств исследуемых растворов используется в научных и учебных лабораториях кафедры Теплотехники и теплотехнического оборудования Таджикского технического университета им. академика М.С. Осими.
- разработанные таблицы теплофизических, электрофизических и термодинамических свойств исследуемых технических растворов в широком интервале температур (293-573) К и давлений (0,101-29,25) МПа могут быть использованы проектными и конструкторскими организациями для проектирования различных технологических режимов;
Личный вклад автора состоит из выбора методов и разработки алгоритмов решения поставленных задач при выполнении работы, установления основных закономерностей протекающих физико-химических процессов при получении теплоносителей, проведения экспериментальных исследований по следующим теплофизическим параметрам: теплопроводность, теплоемкость, плотность, температуропроводность, удельное электросопротивление, электропроводность, разность энтальпии, разность энтропии, удельная энергии Гиббса, удельная энергия Гельмгольца, внутренняя энергия, коэффициент изотермической сжимаемости, коэффициент объемного расширения, разность теплоемкости и коэффициентов модифицирования уравнения типа Тейта в реальных производственных условиях, обработки и анализа полученных результатов, формулировки основных выводов диссертационной работы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 3-й Международной научно-практической конференции (НПК) СЭТТ-2008 (гг.Москва-Тамбов, 2008г.); International conference (Warsawа, Poland, 2008); Республиканской НПК “Современные проб-лемы химии, химической технологии и металлургии” (г.Душанбе 2009г.); 17-th Symposium on Thermophysical Properties, Boulder, Colorado USA (June 21-26, 2009); Международной конференции “Фазовые переходы, критические и нелинейные явления в конденсированных средах” (г.Махачкала, 2009г.); Inter-national conference 30th ITCC and 18-th ITES (Pittsburg, USA, 2009); Республи-канской НПК ”Состояние и будущее энергетики Таджикистана” (г.Душанбе, 2009г.); Республиканской НПК посвященной 35-летию кафедры “Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты” (г.Душанбе, 2009г.); 4-й Международной НПК «Перспективы развития науки и образования» (г.Душанбе, 2010г.); Республиканской НПК “Физика конденсированных сред” (г.Душанбе, 2010г.); International conference “23-th National and International Meetings on Inverse Problems” (Michigan, USA, 2010); 7-й Междуна-родной теплофизической школы “Теплофизические исследования и измерения в энергосбережении, при контроле, управлении и улучшении качества продукции, процессов и услуг”, 2010г.; МНТК ”Современные методы и средства для измерения теплофизических свойств веществ” (г.Санкт-Петербург, 2010г.); 13-й Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (г. Новоси-бирск, СО РАН, 2010г.); Республиканской НПК «Перспективы энергетики Таджикистана» (г.Душанбе, 2011г.); 9-ой Международной НПК «Материалы и технологии 21 века» (г.Пенза, 2011г.); 8-ой Международной теплофизической школы, посв. 60-летию профессора Сафарова М.М. (гг.Душанбе-Тамбов, 2012г.).
Публикации. По результатам исследований опубликованы 33 работы, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, одна монография и получены 2 малых патента Республики Таджикистан.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 173 страницах машинного текста, из них основной текст - 161 страниц, который содержит 33 таблицы, 75 рисунков и список литературы из 136 наименований библиографических ссылок и приложения.
Экспериментальная установка для комплексного определения теплофизических свойств при различных температурах и давлениях
В физике жидкого состояния особое место занимает вода и ее растворы. Как известно, вода обладает множеством аномальных свойств по сравнению с другими веществами [12, 21, 25, 45, 77, 125].
Например, изобарный коэффициент теплового расширения воды (ар) аномально мал, температурные зависимости- скорость звука, плотность, сжимаемость и теплопроводность воды имеют экстремумы. Теплоемкость при постоянном объеме (Сv) воды аномально велика, (Ср) - крайне слабо зависит от температуры в интервале (273-373) К, что также не характерно для других жидкостей.
Аномальные свойства воды связаны с особенностями ее строения. Молекулы воды имеют структуру равнобедренного треугольника. Вершину треугольника занимает атом кислорода, а два атома водорода лежат в его основании. Валентный угол НОН составляет 104,6о, т.е. близок к тетраэдрическому - 109,5о. Длина О-Н связи составляет 0,9572Ао [16, 19]. Три ядра в молекуле воды окружены десятью электронами. Два электрона движутся вблизи ядра кислорода, а остальные восемь - по четыре - по вытянутым орбитам. Две орбиты направлены вдоль связей О-Н, две других лежат в плоскости, проходящей через ядро кислорода и перпендикулярной плоскости НОН [12, 18].
Несимметричность распределения зарядов превращает молекулу воды в диполь. Для каждой связи О-Н значения дипольного момента 0,15Д. Результирующий дипольный момент определяется как момент двух связей О-Н и обусловлен наличием у атома кислорода двух не поделенных пар электронов, которые влияют на общую величину дипольного момента 1,844Д. Кроме этого, две ветви электронного облака, на которых сосредоточены отрицательные заряды, оказывают большое влияние на образование водородных связей. В настоящее время молекулу воды рассматривают как треугольную пирамиду тетраэдрического типа, по углам которой размещаются четыре заряда: два положительных и два отрицательных. Эти заряды формируют свое ближайшее окружение, разворачивая молекулу строго определенным образом так, что между двумя атомами кислорода всегда находится один атом водорода (рисунок 1.1).
Такое соединение молекул посредством одного атома водорода называется водородной связью. Молекула воды может иметь четыре водородные связи, в двух из них она – донор, а в двух других – акцептор электронов при взаимодействии как с молекулами воды, так и с ионами других молекул. Вследствие этого, каждая молекула воды окружена четырьмя другими молекулами H2O, которые в свою очередь образуют тетраэдрическую упаковку (рисунок 1.1).
Прочные молекулярные водородные связи обуславливают сложные формирования молекул, объединяющихся в 3 комплексе и обладающих разветв 16
ленной сетью Н - связей. Особенности водородной связи в воде таковы, что ей легче изогнуться, чем разорваться [12, 14, 45, 46, 77]. Таким то образом, в системе молекул H2O водородные связи полностью определяют структуру воды.
Классическая теория Бернала и Фаулера [12] рассматривает воду как смесь трех структур. В их представлении, с изменением температуры изменяется соотношение числа молекул различных структур, чем и вызываются аномальные свойства воды. В вопросе о типе и числе сосуществующих структур в воде имеются различные мнения.
Холл [128], например, предполагает наличие в воде только двух структур «рыхлой» (льдоподобной, ажурной) и плотноупакованной, имеющих разный молярный объем. По мнению Самойлова [101, 102], льдоподобный каркас имеет структуру типа льда – f, а плотноупакованная вода – это мономеры воды, занимающие пустоты ажурного каркаса, образованного молекулами, связанными Н-связями. Некоторые физико-химические свойства воды представлены в таблице 1.1. В табл. 1.2 приведены результаты органолептических, физико-химических и бактериологических анализов питьевой воды по станциям ГУП «Душанбеводоканал» за 2012-2013 годы В настоящее время известно свыше 60 работ, посвященных измерению теплопроводности воды. Обзор основных экспериментальных работ приведен в работах Барата и Нетлетона [8], Пауэлла [78], в книгах Варгафтика Н.Б. и др. [19-21], Александрова и Трахтенгерца [2, 20]. Поэтому остановимся лишь на некоторых работах последних лет. Таблица 1.2. Результаты органолептических, физико-химических и бактериологических анализов питьевой воды, мг/л по станциям ГУП «Душанбеводоканал» за 2012-2013 годы
В последние годы по теплопроводности воды получены новые результаты в работах Ле Нейндра с соавторами [55], Расторгуева с сотрудниками [80], Кастелли и Станли [103], Минамия [110, 111] (метод нагретой проволоки), Та-казивы, Нагашимы, Танишиты [118] (нестационарный метод нагретой проволоки), Амирханова с сотрудниками [1] , Сироты, Латунина, Беляевой [106] (метод плоского слоя) и Спирина [108] (импульсный метод), которые перечислены в таблице 1.2. Как известно, на VI Международной конференции (1963 г.) по свойствам водяного пара был тщательно рассмотрен весь накопленный экспериментальный материал по теплопроводности воды и водяного пара. На основании наиболее надежных экспериментальных данных были составлены международные скелетные таблицы (МСТ-1964) теплопроводности воды и водяного пара для диапазона Т = (273-973) К и Р = (0,1-50) МПа. Анализ экспериментальных данных о теплопроводности воды и водяного пара на VIII Международной конференции (1974 г.) показал [85, 88], что в некоторых областях необходимо внести изменения в МСТ-1964.
Сравнение новых данных о теплопроводности воды (МСТ-1974) показывает, что на кривой насыщения имеет место хорошее согласие результатов у различных авторов; в подавляющем большинстве случаев в диапазоне Т= (274-473) К отклонения не превышают 1%, а при Т 473 К – 2%. Причем, в области Т 373 К и Р = 0,1 МПа большинство надежных точек расположено несколько ниже, чем в МСТ-1964. Как показано в [2], в диапазоне Т = (273-473) К для значений теплопроводности воды может быть установлен допуск ± 1%. В этом интервале температур рекомендуется использовать воду как образцовое вещество для градуировки приборов по измерению теплопроводности. Рекомендованные значения теплопроводности воды в [2] приведены в таблице 1.3.
Известно, что у значительного число жидкостей теплопроводность с повышением температуры уменьшается. Как видно из таблиц 1.3, теплопроводность воды с увеличением температуры растет [2, 25, 112, 119]. Возрастание теплопроводности происходит от точки плавления до температуры 413 К, а затем, пройдя через пологий максимум, уменьшается вплоть до критической температуры. Это аномальное поведение теплопроводности воды несомненно связано с ее специфической структурой. Несмотря на свою высокую теплопроводность по сравнению с другими жидкостями, вода обладает малой теплопроводностью по сравнению с е твердым состоянием. Теплопроводность льда в точке плавления равна 2,26 Вт/(м. К), что в 4 раза больше, чем у воды. Таким образом, при плавлении происходит уменьшение теплопроводности на 75%.
Спирин, Бушуев [21] 293 0,1 При исследовании теплопроводности воды остается в стороне важный вопрос влияния радиационного переноса тепла при повышенных температурах, которое может приводить к систематической погрешности измеренных значений теплопроводности. Из работ Фрица и Польтца [127] и Польтца [118] следует, что вода обладает большой поглотительной способностью и при Т = 293 К влияние собственного излучения пренебрежимо мало. При повышенных температурах никаких экспериментальных проверок этого влияния не имеется. По расчетам [18] влияние излучения может составить 0,2% при Т = 473 К и толщине слоя воды 0,5 мм.
Теплопроводность системы «Вода+пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления
На экспериментальных установках, представленных на рисунке 2.5-2.13, измерена теплопроводность, плотность, удельная изобарная теплоемкость, удельное электросопротивление и электропроводность водных растворов пентэласт-1161 (1%, 2%, 3%, 4%, 5%, 6%) в интервале температур (293-413) К при атмосферном давлении (таблице 3.1-3.6). При измерениях теплопроводности, теплоемкости и плотности шаг температуры составлял 10-20 К, толщина исследуемого слоя составляла 0,38 мм, а перепад температуры на границах исследуемого слоя изменялся от 1,30 до 0,65 К. При измерениях электропроводности и электросопротивлении исследуемых объектов шаг температуры составлял 5-10 К.
Характер изменения тепло- и электрофизических характеристик водных растворов пентэласт-1161, в зависимости от температуры, показан на рисунках 3.1-3.6 [3-9]. Согласно таблицы 3.1 и рисунка 3.1, теплопровод 60 ность воды и растворов пентэласт-1161 на линии насыщения увеличивается до температуры 413К, а затем уменьшается.
При добавлении некоторого количества пентэласт-1161 в воду, увеличивается теплопроводность воды. Например, при добавлении до 12г. (6%), пентэласт-1161 увеличивает эффективную теплопроводность воды в следующем порядке: Т=293 К - 20,9%; Т = 413 К-17,3%; Т = 573 К-29,7%.
Как видно из последнего, при высоких температурах в растворах появляется дополнительный механизм передачи тепла, который позволяет увеличивать передачю тепла.
Как следует из таблиц 3.2 и 3.3, плотность растворов с ростом температуры уменьшается по линейному закону. Согласно этим таблицам, можно придти к выводу, что плотность растворов пентэласт-1161, приготовленных с дистиллированной водой, больше, чем плотность растворов, приготовленных с питьевой водой во всем интервале температур. Отсюда следует, что дистиллированная вода очень хороший растворитель, поэтому при одинаковой концентрации пентэласт-1161, температура, давление и объем полученных растворов меньше, чем растворов на основе питьевой воды. Например, при Т = 293 К, при добавлении 2г. пентэласт-1161, плотность увеличивается на 0,2%, а при Т=413 К, с добавлением 12г. пентэласт-1161, плотность увеличивается на 0,51%.
Удельное электросопротивление исследуемых образцов (таблицы 3.4, 3.5 и рисунок 3.2) с ростом температуры уменьшается по линейному закону, а электропроводность (таблицы 3.4, 3.5 и рисунок 3.3) увеличивается также по линейному закону. Известно, что дистиллированная вода является хорошим диэлектриком, т.к. в ней отсутствуют частицы, которые переносят электричество. Чего не скажешь о питьевой воде, которая переносит некоторое количество зарядов, т.к. в ней имеются некоторые примеси, и при протекании тока эти частицы ионизируются и данный раствор проводит ток. Таблица 3.1. Изменение теплопроводности (Д103, Вт/(мК)) воды на линии насыщения от влияния пентэласт-11 Образцы Т, К Ni N2 N3 N4 N5 N6
Зависимость температуропроводности системы (питьевая вода + пентэласт-1161) от температуры при атмосферном давлении. В рисунках 3.3 и 3.7 приняты следующие образцы: Образец Ni - (1%-й водный раствор, питьевая вода + пентэласт-1161); Образец N2 - (2%-й водный раствор, питьевая вода + пентэласт-1161); Образец N3 - (3%-й водный раствор, питьевая вода + пентэласт-1161); Образец N4 - (4%-й водный раствор, питьевая вода + пентэласт-1161); Образец N5 - (5%-й водный раствор, питьевая вода + пентэласт-1161); Образец N6 - (6%-й водный раствор, питьевая вода + пентэласт-1161).
Согласно этим таблицам и графикам, можно заключить, что при увеличении количества пентэласт-1161 в растворе (дистиллированная вода -пентэласт-1161) на 1%, удельное электросопротивление при Т=293 К составляет 12,2%, соответственно при Т=338 К - 24,7%; в растворе 6%-й дистиллированной воды + пентэласт-1161 удельное электросопротивление составляет при Т=293 К - 21,3% и при Т=338 К - 0,2%. Для образца 3%-й питьевой воды + пентэласт-1161 с ростом температуры (293-338) К удельное электросопротивление уменьшается на 42,2%, а электропроводность увеличивается (293 К - 0,218 Смм"1; 338 К - 0,316 См м"1) - 44,9%. Для образца №3 (3%-й дистиллированной воды + пентэласт-1161), при Т=293 К сгЮДОЗСм-м-1, при Т=338 К a=0,192См м"1 увеличение температуры приводит к увеличению электропроводности данного образца и других образцов, которое составляет 86,4%. Последнее свидетельствует о хорошей проводимости образцов, полученных на основе дистиллированной воды. Действительно, при увеличении температуры увеличивается количество водородных связей, что приводит к росту электропроводности и теплопроводности исследуемых растворов.
Нами впервые рассчитаны значения температуропроводности исследуемых образцов в интервале температур (293-413) К на основе экспериментальных данных по теплопроводности, плотности и удельной изобарной теплоемкости, в зависимости от температуры и при атмосферном давлении, Cо где Л- теплопроводность, Вт/(мК); Ср - удельная изобарная теплоемкость, Дж/(кг К); р- плотность исследуемых растворов в зависимости от температуры, (кг/м3).
Результаты расчета температуропроводности растворов приведены в таблице 3.6 и на рисунке 3.7. Как видно из таблицы 3.6 и на рисунке 3.7, температуропроводность исследуемых растворов с ростом температуры уменьшается, а с увеличением массы пентэласт-1161 увеличивается.
Например, для образца №5 рост температуры (293-413) К уменьшает а на 1,7 раз. При температуре 413 К увеличение 12г. массы пентэласт-1161 приводит к росту температуропроводности питьевой воды. Это увеличение составляет 4,3 раза.
Для подтверждения результатов расчета температуропроводности растворов нами исследована а при 293 К и Р = 0,101 МПа. Для этого использована экспериментальная установка, работающая методом лазерной вспышки [97]. Результаты расчета и эксперимента в пределе погрешности опыта совпадают до 3%. Как видно из вышеприведенного, на данные по теплофизическим и электрофизическим свойствам растворов существенно влияет растворитель, т.е. дистиллированная и питьевая вода.
Результаты экспериментальных исследований по тепло- и электрофизическим свойствам исследуемых растворов при атмосферном давлении
Обобщенные зависимости и электрические уравнения состояния, разработанные для какой-либо группы веществ или растворов, малопригодны для широкого их применения к растворам за пределами этой группы. Трудности статистических теорий растворов быстро растут с увеличением сложности вещества (растворителя и растворенных в жидкости или твердых тел), что делает в настоящее время весьма затруднительным этот путь для прикладных расчетов свойств реальных растворов.
В связи с этим возникает большой интерес к методам прогноза, основанным на едином подходе к описанию термодинамических, теплофизиче-ских свойств и использующим минимум исходной информации об исследуемом веществе.
В данной главе приведены аппроксимационные зависимости, устанавливающие величин, в том числе термодинамические и теплофизические свойства исследуемых растворов в широком интервале температур и давлений.
Растворы, электролиты, наряду с химическими соединениями, являются основными формами существования всех сложных соединений в природе. Растворы однородны, т.е. любая его часть обладает теми же свойствами, что и вся масса растворов. В растворе молекулы многих веществ могут образовывать с молекулами растворителя молекулярные образования - ассоциаты. Поэтому растворы можно отнести к молекулярно-дисперсным системам [15, 16, 45, 72, 73].
В теории строения жидкости существует два основных подхода. Первый - «формально строгий», основанный на принципах статистической ме 86 ханики и приводящий к строгим выражениям для молекулярной функции распределения, а через них к термодинамическим свойствам. Второй - «модельный подход», позволяющий осуществить статистико-механический расчет свойств жидких систем на основе заранее постулированных моделей. Наиболее известными модельными теориями строения жидкостей являются «ячеечная» и «дырочная».
Ячеечная теория [16], в которой основным является представление о свободном объеме, предполагает, что каждой частице жидкости соответствует определенный узел решетки, число частиц и число ячеек, где движутся частицы, неизменна. Можно сказать, что ячеечная теория рассматривает строение жидкости с позиции строения твердого тела. Этот недостаток проявляется особенно сильно при описании кинетических свойств жидкости. Однако, при исследовании равновесных свойств жидкости, ячеечная модель дает хорошие результаты.
Дырочная теория Френкеля [124] допускает, что в ячейках имеются вакантные места или «дырки». В этом случае степень упорядоченности структуры меньше, чем в ячеечной теории, что больше соответствует реальности. Число дырок при определении Р-р-Т определяется работой, необходимой для создания дырки, или энтальпией дыркообразования.
Дырочная теория хорошо объясняет кинетические свойства жидкости, так как учитывает неоднородность мгновенной структуры и ее можно считать более предпочтительной среди модельных теорий.«Аномальность» воды часто объясняют большой степенью ассоциации ее молекул [45, 71], что является следствием их резко выраженных электрополярных свойств, приводящих к образованию направленных водородных связей (п- связей).
На основе модельных представлений можно объяснить аномальные температурные зависимости и другие свойства воды, а главное - оценить влияние воды на растворение в ней вещества и понять специфику водных растворов. В молекулярных теориях водных растворов важным является изучение взаимодействия растворенного вещества и растворителя и связанного с этим явления гидратации. В настоящее время имеются два основных подхода в объяснении явления гидратации, термодинамический и кинетический [16, 101].
Первый подход связан с представлением о термодинамической устойчивости гидратного комплекса, образованного молекулами веществ и растворителя с изучением термодинамических свойств растворов (плотность, теплоемкость, сжимаемость, энтальпия, энтропия и др.).Второй подход связан с рассмотрением влияния молекул растворенного вещества на трансляционное движение окружающих их молекул растворителя, с изучением кинетических свойств растворов (вязкость и др.).
К термодинамическому направлению относятся работы А.Г. Пасынкого [72, 73]. В его представлении молекулы растворителя (воды), связанные в гидратные комплексы, несжимаемы, так как они уже находятся под «давлением» электростатического поля ионов. Поэтому, при внешнем воздействии, сжатию подвергаются лишь молекулы воды, не входящие в гидратные комплексы. Белинским делается вывод, что сжимаемость жидкости определяется главным образом не сжимаемостью молекул, а изменением ее сводного объема. В области высоких давлений это изменение осуществляется не равномерным изменением молекулярных расстояний, которые при Т = const остаются неизменными, а изменением числа дырок в зависимости от изменения параметров состояния [16, 83].
Теплофизические, электрофизические свойства и плотность растворов системы «Вода +пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления
Отметим, что в формулах (4.76а), (4.77а), (4.78а), (4.79а), (4.80а) и (4.81а) значения m представляются в %.
С помощью уравнений (4.79)-(4.81) можно вычислить плотность, теплоемкость и температуропроводность водных растворов пентэласт-1161 в зависимости от температуры и давления, а также неисследованных растворов. Для этого необходимо знать только значения массы растворенного вещества (пентэласт-1161).
Проверка уравнений (4.79)-(4.81) показала, что они со среднеарифметической погрешностью 2,6% описывают теплофизические свойства (плотность, теплоемкость и температуропроводность) исследуемых растворов в интервале температуры (293-573) К и давления (4,91-29,25) МПа. Эти уравнения также позволяют рассчитать теплофизические характеристики растворов до давления 49,1 МПа.
Теплофизические, электрофизические свойства и плотность растворов системы «Вода +пентэласт-1161» в зависимости от температуры и давления Для установления взаимосвязи теплопроводности, электропроводности, теплоемкости и температуропроводности растворов при высоких параметрах состояния, исходя из теории термодинамического подобия, использовали следующие функциональные зависимости теплопроводность, теплоемкость, температуро проводность, электропроводность при давлении Р1 и температуре Т1;Р1 = 14,52 МПа, Т1 = 413 К. Выполнимость выражений (4.82)-(4.85) показана на рисунках 4.40-44, из которых видно, что все экспериментальные данные ложатся вдоль общей кривой С помощью уравнений (4.90)-(4.97) можно рассчитать теплопроводность, теплоемкость, температуропроводность и электропроводность системы (питьевая вода +пентэласт-1161, а также дистиллированная вода +пентэласт-1161) в зависимости от температуры и давления. Для этого необходимо знать массу пентэласт-1161 и плотность исследуемых объектов с погрешностью до 3%.
Отметим, что в формулах (4.90а), (4.91а), (4.92а), (4.79а), (4.93а) и (4.94а) (4.95а) (4.96а) (4.97а) значения m представляются в %. 136 4.6. Взаимосвязь теплопроводности и теплоемкости растворов при высоких параметрах состояния удельная изобарная теплоем Для установления взаимосвязи теплопроводности и теплоемкости растворов системы вода+пентэласт-1161 (питьевая и дистиллированная) в зависимости от температуры (293-573) К и давления (4,91-29,25) МПа нами использованы следующие функциональные зависимости:
Выполнимость выражения (4.98) для всех исследуемых растворов при различных температурах и давлениях представлена на рисунке 4.44., из которого видно, что все экспериментальные данные ложатся вдоль общей кривой.
Уравнения (4.100) и (4.101) устанавливают взаимосвязь теплопроводности с теплоемкостью растворов при различных температурах и давлениях, а также между плотностью и массой растворенного вещества (т.е. пентэласт-1161).
При наличии экспериментальных значений теплоемкости растворов при различных температурах и давлениях, по уравнениям (4.100) и (4.101), можно вычислить их теплопроводность в зависимости от температуры и давления. Проверка уравнений (4.100) и (4.101) показала, что среднеарифметическая погрешность вычисленных значений теплопроводности в интервале температур (293-573) К и давлений (0,101-49,1) МПа не превышает 5%.
Расчет коэффициента расширения и изотермической сжимаемости растворов при различных температурах и давлениях
Для расчета коэффициентов изотермической сжимаемости и расширения исследуемых растворов в интервале температур (293-573) К и давлений (0,101-29,25) МПа, нами использованы следующие выражения [35]: 1. усовершенствована и модернизирована экспериментальная установка для измерения комплекса теплофизических и электрофизических свойств. Получены два малых патента Республики Таджикистан на изобретение. 2. Впервые получены экспериментальные значения теплопроводности, плотности, теплоемкости, температуропроводности, удельного электросопротивления, электропроводности, энтальпии, энтропии, энергии Гиббса, Гельм-гольца, внутренней энергии, коэффициента объемного расширения, коэффициента изотермической сжимаемости системы (дистиллированная вода + пентэласт-1161 и питьевая вода + пентэласт-1161) при температуре (Т= 293-573 К) и давлении (Р=0,101-29,4 МПа), которые используются проектными организациями для инженерных расчетов. 3. Установлено что теплопроводность, плотность, температуропроводность, электросопротивление и электропроводность исследуемых растворов при заданной температуре увеличиваются с ростом давления и уменьшаются с ростом температуры при постоянном давлении. С ростом температуры влияние давления на теплопроводность, плотность и температуропроводность исследуемых растворов увеличивается, а с повышением давления влияние температуры на Л, р, a уменьшается. 4. Удельная изобарная теплоемкость с ростом температуры увеличивается, а с повышением давления уменьшается. 5. Установлено аномальное изменение теплопроводности растворов во всем интервале давления. 6. При обработке и обобщении экспериментальных данных по тепло-физическим, электрофизическим и термодинамическим свойствам исследуемых систем установлены аппроксимационные выражения взаимосвязи указанных характеристик. 7. Для расчета плотности исследуемых растворов использовано уравнение Тейта, с помощью которого можно рассчитать термодинамические свойства растворов. В широком интервале температур и давлений рассчитаны термические и калорические свойства растворов.
