Фізика / 8. Молекулярна фізика

К.т.н. Дзісь В. Г.¹ , ст. викладач Поспелов І.М.², студ. Дзісь О.В.²

студ. Захлєбна Т.П.¹

Вінницький національний аграрний університет¹

Вінницький національний технічний університет²

ВПЛИВ МОЛЕКУЛЯРНОЇ СКЛАДОВОЇ НА В’ЯЗКІСТЬ ТА ТЕПЛОПРОВІДНІСТЬ ЦЕЗІЮ В ГАЗОВІЙ ФАЗІ

При температурах до 2000 К і тисках 1...1500 кПа лужні метали в газовій фазі можна розглядати як бінарну газову суміш, що складається з атомів і двоатомних молекул, між якими протікають реакції дисоціації.

Теоретичні методи розрахунку коефіцієнтів переносу пари лужних металів істотно обмежені через відсутність точних даних про потенціали взаємодії “атом-молекула” і ”молекула-молекула”. Існуючі методи розрахунку пов'язані з рядом спрощень, що зводять результати таких розрахунків на рівень оцінок. Експеримент поки є єдиним джерелом одержання необхідної інформації про коефіцієнти переносу пари лужних металів. Теорія [1] дає можливість із експериментальних даних по в’язкості або теплопровідності одержати значення абсолютних перерізів зіткнень “атом-атом” та відносних перерізів зіткнень “атом-молекула” лужних металів у газовій фазі, і використовуючи їх, розрахувати коефіцієнти теплопровідності та в’язкості пари в широкому інтервалі параметрів стану.

В’язкість та теплопровідність пари лужного металу можна виразити через два параметри: ефективні перерізи зіткнень “атом-атом” та відносні– “атом-молекула” [1]. Ефективні перерізи зіткнень “атом-атом” характеризують залежність в’язкості та теплопровідності одноатомної пари від температури, а відносні – залежність від концентрації двоатомних молекул, яка є функцією тиску та температури.

Залежність в’язкості та теплопровідності однотомної пари від температури описується лінійними рівняннями:

, (1)

За схемою ідеального дисоціюючого газу [1], залежність в’язкості та теплопровідності від температури та тиску (концентрації двоатомних молекул) описується рівнянням:

, (2)

де – молярна доля двоатомних молекул в парі, коефіцієнти, які визначаються через відносні перерізи зіткнень та термодинамічні константи (табл.2).

Результати обробки експериментальних даних [2] при енергії дисоціації молекул цезію Дж/моль [3] наведено в таблиці 1.

Таблиця 1.

Результати обробки експериментальних даних [2]

Метал	, Па×с	, Па×с/К	,	, %	, %	, %
Cs	292,4	0,256	2,2	1,8	2,4	5,2

В інтервалі температур 700...2000К залежність ефективних перерізів зіткнень „атом-атом” від температури апроксимується рівнянням:

, (3)

Залежність відносних перерізів зіткнень „атом-молекула” від температури встановити не вдалося, оскільки похибка занадто велика. Легко показати, що для її зменшення до 5%, необхідно значно розширити досліджуваний інтервал тисків і підвищити точність вхідних експериментальних даних в’язкості пари лужних металів до 1...2%, що на даний час, є досить складною науковою–технічною проблемою.

На основі отриманих у даній роботі параметрів , за методикою [1], розроблено таблиці в'язкості і теплопровідності пари рубідію і цезію в інтервалі температур 700-2000 К при тисках 1-1500 кПа, включаючи лінію насичення. Тиск пари на лінії насичення визначався за [4], cклад пари (молярна концентрація двотомних молекул) за [1,3,4] термодинамічні константи, необхідні при розрахунку складу пари і теплопровідності взято з [5]:

Концентрація двоатомних молекул в парі цезію визначається температурою, тиском та енергією дисоціації молекул, тому відносні перерізи зіткнень “атом-молекула” дуже чутливі до значень енергії дисоціації молекул.

На практиці, коефіцієнти теплопровідності та в’язкості лужних металів у газовій фазі зручно розраховувати за співвідношеннями [1]:

(4)

, (5)

, (6)

, (7)

, (8)

, (9)

де тепловий ефект реакції дисоціації молекул при температурі , коефіцієнти: визначаються через відносні перерізи зіткнень та термодинамічні константи пари лужних металів, їх числові значення наведено в таблиці 2.

Таблиця 2

Коефіцієнти рівнянь (2,4–9)

n	1	2	3
Коефіцієнт	Цезій
Аn	-1.762	3.073	-5.256
Bn	-1.987	3.571	-6.316
Bn^n	-2.231	3.852	-6.640
Bn^BH	0.244	-0.281	0.324
BP	0.151

„Заморожена” складова теплопровідності для пари цезію зменшується з ростом концентрації молекул , а „реакційна” збільшується. Сумарний їх вклад залежить від величини та значень термодинамічних констант. Для пари ефект тиску і максимального значення набуває при (рис. 1), тому за межами вказаного інтервалу температур визначення відносних перерізів зіткнень із експериментальних даних по теплопровідності пов’язано із суттєвими труднощами. В’язкість в залежності від тиску (концентрації молекул) для пари лужних металів суттєво змінюється в широкому інтервалі температур. Для ефект тиску для в’язкості в парі складає , отже при визначенні слід надати перевагу експериментальним даним по в’язкості пари лужних металів.

Література:

1.Vargaftik N.B., Jargin V.S. Thermal conductivity and viscosity of the gaseous phase// Handbook of Thermodynamic and Transport Properties of Alkali Metals/ Ed.R/ Ohse.–Oxford, 1985. P.785-842.

2.Дзись В.Г., Степаненко И.Ф., Яргин В.С. Экспериментальное исследование вязкости цезия и рубидия в газовой фазе при высоких температурах /М.: МАИ, 1989. 38 с. Деп. ВИНИТИ № 4206-В90.

3. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. - М.: Наука, 1972. 726 с.

4. ГСССД 12-87. Давление насыщенных паров при высоких температурах /А.Г. Мозговой, В.В. Рощупкин, М.А. Покрасин . -М.: Изд-во стандартов, 1988.- 38 с.

5. Термодинамические свойства индивидуальных веществ:/ Гурвич Л.В. и др. под ред. В.П.Глушко, 3-е изд., т.4. Кн.2. - М.: Наука, 1972, - 726 с.