Изучение термодинамических свойств жидких щелочных металлов модуляционными методами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Соболева, Анна Владимировна

• Соболева, Анна Владимировна
• кандидат физико-математических наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Соболева, Анна Владимировна

1. Введение.

2. Глава I. Методы изучения термодинамических свойств материалов.

1.1 .Литературные сведения об аномалиях в структурных переходах.

1.2. Методы изучения термодинамических свойств материалов

1.2.1. Методы калориметрического и термического анализа.

1.2.2.Методы модуляционной дилатометрии.

1.2.3. Методы, основанные на регистрации тепловых потоков.

1.2.4. Метод дифференциального гидростатического взвешивания.

1.3. Выводы к главе 1.

3.Глава II. Определение теплофизических параметров металлов в закритической области

2.1. Теплофизические свойства легкокипящих металлов в околокритической области. Методы изучения теплофизических свойств жидких легкокипящих металлов.

2.2. Критическая и закритическая области.

2.2.1. Представления о природе критических явлений.

2.2.2. Переход металл-диэлектрик.

2.3. Метод периодического нагрева для измерения теплоемкости металлов.

2.3.1. Особенности проведения измерений в критической области.

2.4.Анализ экспериментальных данных.

2.5. Численное решение задачи теплопроводности.

2.5.1. Постановка задачи.

2.5.2.Решение задачи теплопроводности для цезия в докритической и закритической областях. Результаты.

2.6. Выводы к главе II.

4. Глава III. Новый метод измерения коэффициента теплового расширения ар проводящих жидкостей с применением двойного модуляционного воздействия на образец.

3.1. Компенсационный метод измерения коэффициента теплового расширения.

3.1.1. Измерение коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей с использованием двойной модуляции.

3.1.2. Вывод выражения для коэффициента теплового расширения.

3.2. Анализ соблюдения адиабатических условий в измерениях модуляционным методом.

3.2.1. Постановка и решение задачи.

3.2.2. Анализ полученных результатов.

3.3. Выводы к главе III.

5. Глава IV. Применение модуляционного метода в измерении коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей.

4.1 .Описание установки для измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей.

4.2.Анализ формы температурного сигнала в оболочке термопары.

4.3.Варианты измерения ар.

4.3.1.Суррогатная компенсация.

4.3.2.Нормальная компенсация.

4.4.Анализ возможности автоматической компенсации.

4.5. Выводы к главе IV.

6. Глава V. Методические усовершенствования в измерениях АТКД и

КТР, выполняемых с помощью модуляционных методов.

5.1.Новый вариант определения ар: компенсация в режиме реального времени.

5.2.Результаты эксперимента, полученные для цезия.

5.3.Использование генератора давления с минимальным содержанием гармоник.

5.4. Выводы к главе V.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изучение термодинамических свойств жидких щелочных металлов модуляционными методами»

В 70-80-е годы XX века в стране и за рубежом были выполнены масштабные исследования теплофизических свойств жидких щелочных металлов. Это прежде всего работы по изучению уравнения состояния и зависимости электропроводности от температуры и давления. При этом были определены критические параметры щелочных металлов. Кроме того, были осуществлены эксперименты по изучению калорических свойств. В ряде работ получены результаты по определению энтальпии щелочных металлов при температурах до 1300 К. На физическом факультете МГУ был приобретен опыт в исследовании теплоемкости при высоких температурах. Применение динамических методов, в частности, метода периодического нагрева, позволило осуществить измерение теплоемкости цезия и рубидия в области состояний, простирающейся до критической области. При этом остальные результаты были получены при сверхкритических условиях, когда температура и давление были выше критических. Поскольку в этих состояниях изучаемые металлические вещества становились непроводниками, возникали проблемы интерпретации результатов. Теория метода существенным образом опиралась на факт наличия достаточно высокой проводимости у исследуемого жидкого образца. Благодаря развитию численных методов расчета сложных тепловых процессов создалась возможность обращения в настоящее время к полученным ранее, но не расшифрованным экспериментальным результатам, в надежде извлечь из них новые сведения о свойствах объектов исследования в сверхкритической области. Поэтому в настоящей работе была поставлена задача о создании математической модели, адекватно отражающей физические процессы, протекающие в ходе экспериментов, проводимых в условиях периодического воздействия на образец, оказываемого электрическим током.

Другая задача, связанная с изучением теплофизических свойств щелочных металлов с помощью модуляционных методов, заключалась в разработке эффективного способа регистрации явлений, сопутствующих фазовым переходам в жидкой фазе. Ранее наблюдались аномалии на температурных зависимостях равновесных и переносных свойств жидких металлов. В работах [1,2] наблюдались особенности на температурных зависимостях вязкости кобальта и меди. В работах [11,12] отмечено аномальное поведение плотности адиабатического термического коэффициента давления цезия при температуре 580 К. Наблюдаемые особенности в последнем случае имели формальные признаки перехода второго рода. Большой интерес представляет изучение термодинамических свойств вблизи критической точки расслаивания двойных жидких металлических смесей. Например, система литий-натрий, имеющая критическую точку расслаивания при Т=303,2°С.

Новые возможности в изучении свойств щелочных и других легкоплавких металлов в области аномального поведения появились с появлением нового компенсационного метода измерения коэффициента теплового расширения (КТР) проводящих жидкостей. Он был предложен на физическом факультете МГУ [13]. Метод относится к разряду модуляционных, причем на образец в процессе измерений оказываются одновременно два вида модуляционного воздействия. Это периодическое изменение давления и периодическое синусоидальное изменение электрического тока, пропускаемого через образец. В условиях компенсации температурного отклика среды коэффициент теплового расширения образца определяется по формуле;

И* ар =-=-, (1)

2яуруТ где \v- амплитуда колебаний мощности электрического тока, амплитуда колебаний давления, V - линейная частота, V - объем, Г-абсолютная температура образца.

Достоинством метода является то, что он дает возможность прямого определения коэффициента теплового расширения. Высокая чувствительность метода, обеспечиваемая использованием нановольтметра при регистрации температурного отклика, позволяет ограничиваться величиной температурной ступеньки 0,1-0,2 К. Однако реализация метода была сопряжена с определенными трудностями. Одна из проблем связана с тем, что используемый генератор периодической составляющей давления, помимо основного тона, содержал весьма значительные гармонические составляющие. Поэтому было предложено несколько способов регистрации температурных колебаний образца. Первый способ, названный суррогатной компенсацией, состоял в том, что сначала строилась зависимость амплитуды температурных колебаний от амплитуды колебаний давления, затем строилась аналогичная зависимость от амплитуды колебаний электрического тока. В формулу (1) подставлялись такие значения амплитуд колебаний давления и мощности, которым отвечали одинаковые значения амплитуд температурных колебаний. Второй способ представлял нормальную компенсацию, при которой два модуляционных воздействия на образец осуществлялись одновременно. Была создана такая форма модуляции мощности электрического тока, которая обеспечивала температурный отклик, совпадающий по форме с тем, который вызван 4 колебаниями давления, но противоположный по знаку. При нормальной компенсации температурный отклик образца вначале минимизировался путём регулировки фазового сдвига между колебаниями давления и колебаниями мощности электрического тока; дальнейшее уменьшение температурного сигнала производилось путем изменения мощности электрического тока. Измерение КТР первым способом осуществлялось с погрешностью 11%, вторым способом - 7%.

Дальнейшее развитие методики измерений шло с использованием программной среды ЬаЬУ1Е\\Л В этой среде была создана программа, позволяющая осуществлять гармонический анализ сигналов непосредственно в процессе измерения, что позволило проводить компенсацию только по первой гармонике. В результате удалось поднять точность измерения ар до 5%. Намерение применить разрабатываемый метод для изучения структурных и фазовых переходов в жидкостях требует уменьшения случайной погрешности измерений до 2%. Конструктивные особенности установки ограничивали возможности увеличения точности измерений. Как уже упоминалось, это связано прежде всего с тем, что генератор периодической составляющей давления не позволял создавать в системе чисто синусоидальные колебания. Поэтому был создан генератор новой конструкции, который в автономных испытаниях демонстрировал сигнал, близкий к синусоидальному. Замена генератора периодической составляющей давления потребовала создания практически новой установки. На первом этапе испытания установки удобно было провести измерения АТКД, взяв в качестве образца дистиллированную воду. Сравнение экспериментальных данных и значений, полученных из табличных данных по температурной зависимости плотности воды, показало, что результаты согласуются в пределах 2.5%, то есть в пределах экспериментальной погрешности. Таким образом, можно ожидать, что включение генератора новой конструкции в установку для измерения КТР проводящих жидкостей компенсационным методом позволит существенно увеличить точность измерений.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Соболева, Анна Владимировна

Основные результаты и выводы

1. С помощью численного моделирования, основные параметры которого согласованы с данными эксперимента, выполненного методом периодического нагрева, впервые определены значения температуропроводности и теплоемкости цезия в закритической области.

2. На основе найденного точного аналитического (проверенного численным) решения тепловой задачи создана возможность получения более достоверных данных в измерениях АТКД и теплоемкости жидких металлов.

3. В плане разработки метода измерения КТР жидких металлов с применением двойной модуляции создана методика раздельной регистрации температурных откликов на колебания давления и мощности эл. тока с выделением основной гармонической составляющей у всех сигналов (суррогатная компенсация). С помощью этой методики впервые осуществлены прямые измерения КТР К-Иа смеси эвтектического состава. Это дало подтверждение того, что разрабатываемый метод может быть использован как абсолютный.

4. Разработана методика синтеза формы модуляционного воздействия электрического тока, которая обеспечила температурный отклик, максимально приближающийся по форме к температурному отклику, вызываемому модуляцией давления (нормальная компенсация). Достигнута степень компенсации 90%. Погрешность измерений составила 7%.

5. Создана программа, позволяющая автоматически создавать сигнал, совпадающий с заданным сигналом произвольной формы. Эта программа является основой для обеспечения такой формы колебаний мощности эл. тока, при которой температурный отклик термодатчика будет полностью повторять температурный отклик на колебания давления, что позволит осуществлять автоматическую компенсацию температурных откликов и поднять точность измерений.

6. В целях повышения точности в среде ЬаЬУ1Е\¥ создана программа, позволяющая в реальном времени выполнять Фурье-анализ всех сигналов. Это позволило осуществлять компенсацию только по первой гармонике температурного отклика непосредственно в процессе эксперимента (нормальная компенсация). С помощью этой методики проведены прямые измерения КТР цезия в температурном диапазоне 320-480 К с погрешностью 5%. Полученная слабая температурная зависимость КТР цезия является подтверждением достоверности получаемых результатов. Установлено, что метод демонстрирует высокую чувствительность к примесям.

7. Введение в установку нового генератора периодической составляющей давления с близкой к синусоидальной формой колебаний позволило уменьшить экспериментальную погрешность измерения АТКД до 2.5%, что дает возможность рассчитывать в перспективе на увеличение точности измерений КТР.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Соболева, Анна Владимировна, 2013 год

1. Ладъянов В.И., Бельтюков А.Л., Тронин К.Г.,Камаева Л. В. О структурном переходев жидком кобальте. // Письма в ЖЭТФ. 2000. Т. 72, вып. 6., с. 436-439.

2. Ладъянов В.К, Бельтюков А.Л. О возможности структурного перехода в жидкоймеди вблизи температуры плавления // Письма в ЖЭТФ. 2000. Т.71, вып. 2., с.128-131

3. Гиттис М.Б., Михайлов И.Г. О связи скорости звука и электропроводности вжидких металлах // Акустический Журнал, 1966. Т. 12, вып. 1. с 17-21

4. Басин A.C., Соловьев А.Н. Исследование плотности жидких свинца, цезия и галлиягамма-методом // ПМТФ, № 6, 1967, с. 83-87

5. Фомин В.А., Исследования вязкости щелочных металлов. // Дисс. на соис. уч. степ, канд. тех. наук, Москва, 1966г, стр158

6. Сковородъко С.Н. Экспериментальное исследование плотности и вязкости щелочных металлов и их сплавов при высоких температурах. Дисс на соис. уч. степ. канд. тех. наук., Москва, 1980г

7. Шарыкин Ю.Н., Глазков В.И. Сковородъко С.Н., Соменков В.А. и др.

8. Нейтронографическое исследование структуры жидкого цезия // ДАН СССР 1979г., том 244, № 1, стр.72-82.

9. Астапкович Ф.Ю., Иолин Е.М., Козлов E.H., Николаев В.О. и др.

10. Нейтронографические исследования измерений структуры в жидком рубидии // ДАН СССР, т.263, № 1, стр73-75.

11. Благонравов Л.А., Модхен Ф. Измерения адиабатического термическогокоэффициента давления в периодическом режиме // Приборы и техника эксперимента, Москва, 1991 г, №4, стр. 167-170.

12. Модхен Ф. Измерение адиабатического термического коэффициента давления жидкого цезия методом периодического воздействия // Диссертация на соис. уч. степ. канд. физ. мат. наук., Москва 1990.

13. Благонравов Л.А., Кузнецов С.М., Алексеев В.А., Сковородъко С.Н. О характере изменения теплоемкости жидкого цезия в области аномального поведения структурных и термодинамических параметров.// ТВТ. (1997). Том 35. № 1. 149152.

14. Благонравов Л.А., Сковородъко С.Н., Орлов Л.А., Алексеев В.А. Новые, уточненные данные об адиабатическом термическом коэффициенте давления жидкого цезия вобласти аномального поведения теплофизических свойств. // ТВТ. (2000). Том 38. № 4. 566-572.

15. Благонравов Л.А. О возможности измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей компенсационным методом с использованием упроготермического эффекта // Письма в ЖТФ, том 21, выпуск 24, 26декабря 1995г., стр. 51-54.

16. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Липецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов: Учебник для металлург, спец. вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / Под ред. Б.Г. Лившица. - М.: Металлургия, 1980. - 320 с.

17. Уэндландт У. Термические методы анализа = Thermal Methods of Analysis / Пер. с англ. под ред. В. А. Степанова и В. А. Берштейна. — М.: Мир, 1978. — 526 с.

18. Kraftmakher Y. A., Cheremisina I.M.//Журнал прикладной механики и технической физики, 1965, №2, 114-115

19. Kraftmakher Y. А. II Журнал прикладной механики и технической физики, 1967, №4 143-144

20. Kraftmakher Y. А., Неженце, 1971

21. Glazkov S. Y., Kraftmakher Y. A. High Temp.-High Pressure, 1986, 18, 465-470

22. Jean Claude Petit, Leon Ter Minassian, Measurements of (dV I ôT)r , (dV I dp)-,, and (dH IdT),,, by flux calorimetry II J. Chem. Termodynamics 1974, 6, 1139-1152.

23. Гаврилов A.B., Зарипов З.И., Мухамедзянов Г.Х. Экспериментальная установка для исследования комплекса теплофизических свойств жидкостей в интервале температур 293-473 К и давлений до 147 Мпа. Казань. 2000.

24. Груздев В.А. Экспериментальное исследование теплоемкости и плотности щелочных металлов натрия, калия и теплосодержания и теплоемкости гидрида лития до 1100 °С // Диссертация на соис. уч. утеп. канд. техн. наук., М.: МИФИ, 1962, 144 с.

25. Груздев В.А. Метод дифференциального гидростатического взвешивания для измерения плотности расплавленных металлов // В сб.: Жидкие металлы. М.: Госатомиздат, 1963, С. 256-262.

26. Новиков И.И., Груздев В.А., Краев O.A. и др. Экспериментальное исследование теплофизических свойств жидких щелочных металлов при высоких температурах // Теплофизика высоких температур. 1969 Т. 7. № 1. С. 71-74.

27. Новиков И.И., Рощупкин В.В., Чернов А.И., Груздев В.А. Устройство для измерения температурного коэффициента объемного расширения жидкости. Авторское свидетельство № 1516923 // Бюллетень изобретений. 1989. № 39. С. 204.

28. Новиков И.И., Шпильрайн Э.Э, Рощупкин В В. и др. Методика дифференциального гидростатического взвешивания для исследования теплового расширения металлических расплавов // Перспективные материалы. 2002. № 5. С. 75-82.

29. MottN., Proc. Roy. Soc. A 146, 465 (1934)

30. Motî N., Proc. Cambr. Phil. Soc. 32, 281, (1936)

31. Sutra G., Compt. Rend. 244, 174 (1957)

32. Регель A.P. сборник «Строение и свойства жидких металлов», М., Изд-во АН СССР, 1959, стр. 3

33. Motî N., Adv. Phys. 16, 49 (1967)

34. Данилов В.И. Рассеяние рентгеновских лучей в жидкостях, M. JL, ОНТИ, 1935.

35. KikoinJ., FakidovJ. Zs. Phys., 71, 343 (1931).

36. Френкель Я. К, Собр. избр. Трудов, т. 3, М. Л., Изд-во АН СССР, 1959.

37. Иоффе А. Ф., Изв. АН СССР, сер. физ. 15,477(1951).

38. Блум А. К, Мокровский Н. И, Регель А. Р., Изв. АН СССР, сер. физ. 16, 139 (1952)

39. Регель А. Р., ЖТФ 28, 521 (1958).

40. Гайбуллаев Ф„ Регель А. Р., ЖТФ 24, 2240 (1957).

41. Кикоин И.К., Сенченков А.П. Электропроводность и уравнение состояния ртути в области температур 0-2000 °С и давлений 200-5000 атмосфер // Физика металлов и металловедение, 1967, т.24, №5, стр. 843-858

42. Hensel F., FranckE.U. Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1966. T.70. № 9-10.P. 1154.

43. Ашкрофт H., Жидкие металлы. «Успехи физических наук», M., 1970

44. Филиппов JI.П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах. М., Изд-во МГУ, 1967.

45. Филиппов Л.П. Исследование теплопроводности жидкостей. М., Изд-во МГУ, 1970.

46. Белащенко Д.К. Явления переноса в жидких металлах и полупроводниках. М., Атомиздат, 1970.

47. Анисимов М.А. Критические явления в жидкостях и жидких кристаллах, М., 1987

48. Ma Ш. Современная теория критических явлений, пер. с англ., М., 1980

49. Ландау Л.Д., Лифшиц М.Е. Статистическая физика, М., «Наука», 1964

50. Новиков И.И. Теплофизические свойства газов. Издательство «Наука», 1976 г. 208 с.

51. Стенли Г. Фазовые переходы и критические явления, пер. с англ., М., 1973.

52. Мотт Н. Ф. Переходы металл- изолятор, пер. с англ., М., 1979

53. Бугаев А. А., Захарченя Б. П., ЧудновскийФ. А. Фазовый переход металл -полупроводник и его применение, JL, 1979

54. Mott N. F. Phil.Mag. 13,989(1966)54 .Алексеев В. А., Андреев A.A., Прохоренко В. Я. УФН. 106, 393 (1972)

55. Алексеев В.А., Веденов A.A. УФН. 102, 665 (1970)

56. Благонравов JI.A. Изобарная теплоемкость легкокипящих металлов в области высоких температур и давлений // ТВТ. 1993. Т.31. С. 476

57. Благонравов Л.А., Филиппов Л.П. Алексеев В.А. Шнерко В Н. ИФЖ. 1983.Т.44. №3. С.483.

58. AlekseevV.A., Blagonravov L.A., Philippov L.P. J. Phys. Colloque С 8. Suppl. Au № 8. 1980. T. 41.P. C8.

59. Эйлер Л. Интегральное исчисление. Том 1. M.: ГИТТЛ. 1956

60. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А. Тоцкий Е.Е., Тимрот Д.Л., Фомин В.А. Теплофизические свойства щелочных металлов. М.: Изд-во стандартов, 1970. 488 с.

61. Hensel F., Jungst S., Knuth В., Uchtmann H., Yao M. Dielectric and pVT Properties of Metals in the Critical Region // Physica. 1986. V. 139-140. P. 90.

62. Рабинович В. A., Вассерман A. A., Недоступ В. И. Теплофизические свойства неона, аргона, криптона и ксенона. М., 1976.

63. Благонравов Л.А., Карчевский О.О., Иванников П.В., Клепиков A.C. Применение двойной модуляции при измерении коэффициента теплового расширения жидкостей. //Вестник Московского университета. Серия 3.Физика. Астрономия. (2003). №3. 17-21

64. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М., 1952

65. Тихонов А.Н., Самарский A.A. Уравнения математической физики. М., 1977

66. Диткин В. А., Кузнецов П. И. Справочник по операционному исчислению: Основы теории и таблицы формул. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951. 256 с.

67. Бейтмен Г., Эрдейи А. «Высшие трансцендентные функции. Функции Бесселя, функции параболического цилиндра, ортогональные многочлены». Справочная математическая библиотека М. Физматгиз 1966 г. 296 с.

68. КэйДж., Лэби Т. Таблицы физический и химических постоянных., пер. с англ., М., 1962

69. Дьяконов В. П. MATLAB 6.5 SP1/7.0/7.0 SP1 + Simulink 5/6/ Обработка сигналов и проектирование фильтров. М: COJIOH-Пресс, 2005. С. 676.

70. Кехтарнаваз Н., Ким Н. Цифровая обработка сигналов на системном уровне с использованием LabVIEW 304 стр. 2007 г. Издательство: Додэка XXI М.

71. Х.Питер Блюм LabVIEW: стиль программирования Изд-во ДМК-Пресс, 2008 г, 400с.

72. Jeffrey Travis LabVIEW for Everyone. Prentice Hall, 2004, 544 p.

73. Федосов В.П., Нестеренко А.К. Цифровая обработка сигналов в LabVIEW. Изд-во: ДМК Пресс, 2007, 256 с.

74. Суранов А. Я. LabVIEW 7: справочник по функциям. М.: ДМК Пресс, 2005г, 512 с.

75. Haykin S. Adaptive Filter Theory. 4rd Edition. Paramus, NJ: Prentice-Hall, 2001.

76. Афонский А. А., Дьяконов В. П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. Под ред. проф. В. П. Дьяконова. — М: COJIOH-Пресс, 2009. — С. 248

77. Благонравов JI.A., Карчевский О.О., Иванников П.В., Соболева А.В. Опыт применения двойной модуляции в измерении коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. №1, с.50-55 (2008).

78. Кириллов П.Л., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей (справочные таблицы и соотношения). Обзор,ФЭИ-0291 М.: ЦНИИатоминформ, 2000,42 с.

79. Шпшьрайн Э.Э., Якимович К.А., Тоцкий Е.Е., Тиморт Д.Л., Фомин В.А. Теплофизические свойства щелочных металлов. Госстандарт. Москва. 1970.

80. Eisenberg D., Kauzman W. Structure and Properties of Water. USA: Oxford University Press. 1969. P. 308.

81. Wagner W. & Pruss A. The IAPWS Formulation 1995 for the Thermodynamic Properties of Ordinary Water Substance for General and Scientific Use //J.Phys.Chem.Ref. Data, 2002, Vol 31, №2, P. 387-535.