Например, Бобцов

Асимметричное масштабное уравнение состояния аргона в переменных плотность-температура

УДК 536

Асимметричное масштабное уравнение состояния аргона в переменных плотность-температура

Рыков С.В., Кудрявцева И.В., Рыков В.А.

Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий

Приведенное в данной работе асимметричное масштабное уравнение позволяет рассчитывать равновесные свойства аргона практически во всей области термодинамической поверхности, в которой для аналитических уравнений имеет мест так называемая «критическая катастрофа».

При описании равновесных свойств индивидуальных веществ в окрестности критической точки широкое распространение получили масштабные уравнения состояния в физических переменных плотностьтемпература:

( ) ( ) ( ) ∑ ∑ρ F ρ,T


= τ2s−αa0

x%

+ τ2s −α+∆a1

x%

n1 n2
+ Aiτi + ω Biτi.
i=1 i=1

(1)

Здесь F – свободная энергия Гельмгольца; ρ – плотность; T –

абсолютная температура; x% – обобщенная масштабная переменная,

определяемая равенством x% = τ / τs ; τs – переменная, определяющая

положение кривой сосуществования на термодинамической поверхности;

τ = −x0τs – уравнение кривой сосуществования; τ = T / Tñ −1, где Tc –

критическая температура; ω = ρ / ρc , где ρc – критическая плотность; a0 и a1

– масштабные функции свободной энергии; α и ∆ – критические индексы;

pc – критическое давление.

Учет асимметрии жидкости и газа приводит к появлению в уравнении

состояния (1) еще двух слагаемых, зависящих от масштабных функций a2 ( x% )

и a3 ( x%) :

ρ pñ

F

(ρ,T

)

=

τ2s −α a0

(

x% )

+

τ2−α+∆ s

a1

(

x% )

+

( )+τ2−α+∆1 s

a2 ( x%) + u2sign(∆ρ)a2 ( x%)

+

(2)

( ) ∑ ∑n1 n2

+τ2−α+∆2 s

a3 ( x% ) + u3sign(∆ρ)a3 ( x% )

+

Aiτi + ω Biτi.

i=1 i=1

Термическое уравнение состояния находится по известному
термодинамическому равенству p = ρ2 (∂F / ∂ρ)T :

∑ (( )( ) ( )p
pc

3



τ1−α+∆i s

i=0

τ'shi x% − τsai x%

+

( )) ∑n1
+uisign(∆ρ) τ'shi ( x% ) − τsai ( x% ) − Aiτi.
i=1

(3)

Для простоты в (3) положили u0 = u1 = 0 . При этом условии изохорная теплоемкость описывается следующим выражением:

∑ ( )( )Tc2ρ
pñT

Cv

ρ,T

3

=−

τ−α+∆i s

i=0

ai'' ( x%) + uisign(∆ρ) ai'' ( x%)



∑ ∑n1 n2
− i (i −1) Aiτi−2 + ω i (i −1) Biτi−2.
i=1 i=1

(4)

Масштабные функции, входящие в уравнение состояния (2), имеют следующий вид:



( ) ( ) ( )a0

( x% )

=

A01

 

x% + x01

2−α − x01 x02

x% + x02

2−α

  

+

B01

x% + x03 γ + C0 ,

( ) ( )

a1 ( x% )

=

A11

 

x% + x11

−2−α+∆

x12 x11

x% + x22

2−α+∆

 

+



( )+ B11 x% + x13 γ+∆ + C1,

( ) (( ) ( )a2 x% = A21 x% + x21 −2−α+∆1 x% + x22 −2−α+∆1

(5) (6)

(( ) ( ) )− x21 − x22 x23 − x24

x% + x23

−2−α+∆1

x% + x24

2−α+∆1

 + 

( ) ( )

+

B21

 

x% + x25

βδ+∆1



x3 x4

x% + x26

βδ+∆1

 

+



(( )( ) ( )+D21 x% + x27 −γ+∆1 x% + x28 γ+∆1 −

(7)

( ( ) )( )− x27 − x28 x29 − x2,10

x% + x29

−γ + ∆1

x% + x2,10

γ+∆1

   + C2,

( ( )( ) ( ) ( )a3 x% = A31

x% + x31

2−α+∆2



x31 x32

x% + x32

2−α+∆2

 + 

( )( )+D31 x% + x34 γ+∆2 + C3,

(8)

( ( )( ) ( ) ( )u3a3 x = A32

x% + x31

2−α+∆2

− x31 x32

x% + x32

2−α+∆2

 + 

( )( )+D32 x% + x34 γ+∆2 + C4.

(9)

Здесь коэффициенты

A01

=



ak γ1
2αb2α1 (1



ε

)

,

B01

=

a 2k

,

A11

=



ek(γ + ∆) 2αb2α11

,

B11

=

e 2k

,

значения

Ñi

(где

i = 0,1...4 )

определяются

из

равенств:

(2 − α + ∆i ) ai ( x% = −x0 ) − x%ai' ( x% = −x0 ) = 0 . В результате параметрам уравнения

присвоены следующие значения: α = 0,11; β = 0;325; ∆ = 0,5; ∆1 =1– α +β ;

∆2 =2 ∆1 ; x01 = 0,576; x02 = 1,067; x03 = 0,676; x11 = 0,676; x12 = 1,967; x13 = 0,676;

x21 = 0,967; x22 = 2,967; x23 = 0,898; x24 = 2,99; x25 = 1,2; x26 = 2,7; x27 = 0,89;

x28 = 4,9; x29 = 0,6; x2,10 = 3,7; x31 = 3,836; x32 = 4,91; x33 = 0,6; x34 = 1,9;

A1 = 6,084838347525; À2 = 11,907975305209; A3 = 18,906524794669; A4 = –

115,03704284292;

B1 = –5,7163584421496;

B2 = –40,279279267073;

B3 = =194,50388255443; B4 = –78,644358112462; a = 14,984419271315;

ñ = 20,702844196735; À21 = –745,13567371382; À22 = –1141,5178025554;

B21 = 5,2554707061464; B22 = 1,9864595693951; D21 = –119,41840232581;

D22 = –206,10246605579; A31 = 3,7126817720083; D31 = 49,822759856078;

D32 = 46,560426679958.

Результаты сравнения термических и калорических свойств аргона,

рассчитанных по уравнению состояния (2) с опытными данными [2-4]

представлены на рис.1 ÷ 4.

Хотя экспериментальные исследования теплоемкости Ar и плотности

на линии фазового равновесия выполнены авторами работ [2, 3] фактически с

целью проверить расчетные характеристики масштабных уравнений

состояния в параметрической форме, однако описать данные [2-4] с

требуемой точностью этими уравнениями не удалось.

Рабочая область уравнения состояния (2) ограничена следующими

параметрами состояния: 0,7ρñ ≤ ρ ≤ 1,35ρñ , Tí ≤ T ≤ 1,08Tc .

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что

предложенное уравнение состояния не уступает по точности и рабочей

области известным асимметричным параметрическим уравнения состояния и

уравнениям, полученным путем строгого интегрирования преобразований

Покровского.

Рис.1. Отклонения значений плотности на линии фазового равновесия, рассчитанных по уравнению состояния (2), от экспериментальных и табличных данных Анисимова [2] в области: 1 – ρ < ρê , 2 – ρ > ρê .
Рис.2. Отклонения значений плотности ρ, рассчитанных по асимметричному уравнению состояния аргона (2), от экспериментальных данных [3] (Michels A. et al.) на изотермах: 1 – 163,15 К, 2 – 158,15 К, 3 – 153,15 К, 4 – 150,65 К; 5 – 151.65, 6 – 150,15.

Рис.3. Отклонения значений давления p , рассчитанных по асимметричному уравнению состояния аргона (2), от экспериментальных данных [4] на изотермах: 1 – 163,15 К, 2 – 158,15 К, 3 – 153,15 К, 4 – 150,65 К; 5 – 151.65, 6 – 150,15.
Рис.4. Отклонение значений изохорной теплоемкости, рассчитанных по уравнению (4), от экспериментальных данных [2] на изохорах: 1 – 374,3 кг/м3; 2 – 457,6 кг/м3; 3 – 473,6 кг/м3; 4 – 497,3 кг/м3; 5 – 534,4 кг/м3.
Список литературы
1. Рыков В.А. Структура сингулярных членов свободной энергии, верно воспроизводящих неасимптотические поправки термодинамических функций// ИФЖ. -1985. - Т.49, № 6. –С. 1027-1033.
2. Анисимов М.А., Ковальчук Б.А., Рабинович В.А., Смирнов В.А. Результаты экспериментального исследования теплоемкости Сv аргона в однофазной и двухфазной областях // Теплофизические свойства веществ и материалов. –М.: Изд-во стандартов. –1978. –Вып.12. –С. 86-106.

3. Анисимов М.А., Ковальчук Б.А., Рабинович В.А., Смирнов В.А. Экспериментальное исследование изохорной теплоемкости аргона в широком диапазоне параметров состояния, включая критическую точку // Теплофизические свойства веществ и материалов. –М.: Изд-во стандартов. –1975. Вып. 8. –С. 237-245.
4. Michels A., Levelt I.M., De Graaff W. Compassibility isotherms of argon at temperature between –25оC and –155 oC, and at densities up to 640 Amagat (pressures up to 1050 atm.) // Physica – 1958. V. 24, № 8. P.659-671.