научная статья по теме ШИРОКОДИАПАЗОННОЕ УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ НА ПРИМЕРЕ АЦЕТОНА Математика

Текст научной статьи на тему «ШИРОКОДИАПАЗОННОЕ УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ НА ПРИМЕРЕ АЦЕТОНА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2007, том 415, № 5, с. 617-621

МЕХАНИКА

УДК 533.1+536.71

ШИРОКОДИАПАЗОННОЕ УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ ЖИДКОСТЕЙ НА ПРИМЕРЕ АЦЕТОНА

© 2007 г. Академик Р. И. Нигматулин, Р. X. Болотова

Поступило 06.03.2007 г.

В процессах схлопывания кавитационных паровых пузырьков в сильных акустических полях вещество в центре пузырька испытывает огромные сжатия [1]. Давление при этом меняется от десятых долей до сотен миллионов атмосфер. В связи с этим встает проблема построения широкодиапазонного уравнения состояния.

Для указанных условий при описании свойств органических жидкостей: обычного (Н) и дейте-рированного ф) ацетона, предлагается использовать форму уравнения состояния Ми-Грюнайзена в виде суммы потенциальной (холодной), тепловой и химической составляющих для давления и внутренней энергии [2, 3]:

р = Р( Р) + Р(Т),

(р) . (Т) . (сЬ)

е = е + е + е .

Р(Р)(Р) = ^ (Р

\р0

в+1

exp

611-( Р 1

- К\Р Ро

Р = V

\+1

(1)

е(Р)(р) = \

= (^Ми^ _А

Ф =

вро Ь

ехр

Ь\ 1-\ р

-Ро

в

Т ^(У, Т) = Р + (Ш т'

^у(V, Т):

. \др) дТ) у

Институт механики Уфимского научного центра Российской Академии наук

при условии постоянства теплоемкости су и зависимости изохорического коэффициента давления и, следовательно, функции Грюнайзена Г только от объема:

.(Т)(Т, Т) = Ш т^V)т = ГУсУт,

Р Ч у, Т)

д т)

е

у

(Т) _

у

(2)

= Сут.

Холодная составляющая давления и энергии описывается потенциалом типа Борна-Майера [2, 3]:

(3)

-к (^Т + е0.

^Ро ЧроУ

Здесь А, К, Ь, в - константы, е0 - константа интегрирования для выполнения условия е(р)(р0) = 0 (р(р)(р0) = 0). При определении тепловых составляющих (р(Т), е(Т)) принимаем приближение, следующее из термодинамического тождества:

В связи с отсутствием экспериментальных данных по дейтерированному ацетону при определении его плотности и теплоемкости учитывалось отношение молекулярных весов Б- и Н-ацетона.

В области низкого давления (р < 10 бар) параметры газовой фазы удовлетворяют уравнению

К

состояния совершенного газа р = мР т (К =

= 8310 Дж/(кмоль • К)) и характеризуются теплоемкостью при постоянном объеме са. Для ацетона в соответствии с экспериментальными данными [4] в газовой фазе получим

Н-ацетон: М = 58 кг/кмоль,

са = 1148.0 Дж/(кг • К);

D-ацетон: М = 64 кг/кмоль,

са = 1040.4 Дж/(кг • К).

Для жидкого состояния

Н-ацетон: рЬ0 = 810 кг/м3,

cL = 1516.8 Дж/(кг • К);

D-ацетон: рL0 = 894 кг/м3,

с^ = 1374.6 Дж/(кг • К).

В критической точке

Н-ацетон: рсг = 46.6 бар,

тсг = 508 К, Рсг = 280 кг/м3;

D-ацетон: рсг = 46.6 бар,

тсг = 508 К , Рсг = 309 кг/м3.

Для нахождения плотности жидкости р^(р) и газа Р^(р) на линии насыщения применялось

(4)

(5)

р

p, Мбар 0.5

0.4

0.3

0.2

Dis

8000 K -7000 K

6000 K »- 5000 K 4000 K

D, 103 м/с

10 г

Dis

8 - J

NDis/ ♦/

6 - 7/

4 / ♦ / ~ г '

2

2 4 6 U, 103 м/с

Рис. 1. Ударная адиабата ацетона молекулярной (Ndis) и диссоциированной (Dis) фаз в координатах

давление p - относительный объем V и в координа-

V о

тах массовая скорость U - скорость ударной волны D. Тонкие линии - изотермы, точки - экспериментальные данные [5].

дифференциальное уравнение Клайперона-Кла-узиуса [3]:

dTs Т5 (p ) ( 1

1

UF "LG ( p )( ( p ) Hgs ( p ))■

Внутреннюю энергию пара eG(pGS(T), T) и жидкости eL(pLS(T), Т) корректировали, исходя из условия согласования на линии насыщения [3]:

£G(PGS(T), T) = EL(PLS(T), T) +

11

+ hLG(T) - ps(T)

PGS ( T) PLS ( T)/

(6)

Давление насыщения pS(T) и теплота парообразования hLG(T) были аппроксимированы по данным [4]:

ps(T) = p*exp ( -T ) + p**( 1 + th ( ^T1)), (7)

p* = 2.458 ■ 109 Па, T* = 3250 K; p** = 5.589 ■ 105 Па, T** = 6.5 K;

hLG(T) = h*( ^-1 )037, h* = 5.7 ■ 105 Дж/кг. (8)

Для органических жидкостей имеет место изменение наклона прямой ударной адиабаты в ко-

ординатах скорость ударной волны D - массовая скорость U, что соответствует двум ветвям ударных адиабат в координатах psh(p) для недиссоции-рованной и диссоциированной фаз [5] (см. рис. 1 при U > 1.8 км/с и p > 60 кбар). Это связано фазовыми переходами, химическими реакциями, диссоциацией молекул и т.д. и сопровождается изменением структуры вещества и поглощением энергии. В диссоциированной фазе тепловое движение разных атомов становится независимым. При переходе из молекулярной (недиссоциированной) в атомарную (диссоциированную) фазу вещество рассматривается как смесь двух компонентов - молекулярного (к = m) и атомарного (к = d) с различными уравнениями состояния с аддитивными давлениями компонентов m и d:

X К

Фк Рк

к = m,

Р = Ф mPm + Фd Pd, Фт + Фd = 1, (9)

E = Xmem(pm> T) + XdEd(pd, T)>

p = ФmPm(Pm, T ) + ф dpd (Pd, T ) .

Здесь фd и xd - объемные и массовые доли диссоциированного газа. Диссоциированное и ионизированное состояния газа соответствуют смеси "моноатомных" газов, состоящих из атомов или ионов углерода C, кислорода O, дейтерия D или водорода H и электронов. В связи с "моноатомной" структурой показатель адиабаты в этом случае следующий:

Y = Г + 1 = 1.667.

(10)

Удельная теплоемкость диссоциированного газа:

3

cd = 2 пкБ, где кБ = 1.38 ■ 10-23 Дж/K - константа

Больцмана и n - число атомов и ионов в единице массы газа.

Сверхвысокие температуры и давления в процессе суперсжатия микропузырьков при коллапсе в центральной зоне [1] существуют в течение долей пикосекунд (10-13-10-10 с). Для таких временных диапазонов вклад электронов в теплоемкость ионизированных состояний пренебрежимо мал [2]. Следовательно, неравновесная теплоемкость ионизированной плазмы имеет значения

H-ацетон : cd = 2148 Дж/(кг • K) ; D-ацетон : cd = 1947 Дж/(кг • K).

(11)

В случае полностью ионизированной плазмы равновесная теплоемкость определяется с использованием Z, + Ze = 42 и будет больше неравновесной (cd = 7983 Дж/(кг ■ K), что уменьшает ее температуру. На рис. 2 показана температурная зависимость теплоемкости молекулярного ацетона жидкой и газовой фаз при переходе в диссоци-

ированное и ионизированное состояния по предлагаемой неравновесной схеме. Промежуточная стадия определяется кинетикой фазового перехода и условиями моделируемого процесса диссоциации.

Химическая доля внутренней энергии для диссоциированной фазы была рассчитана с учетом

(ch)

энергии диссоциации ed молекулы и энергии

(ch)

ионизации е- , зависящей от уровня ионизации xk всех типов состояний электронного возбуждения (k = 1, 2, ..., Z) и соответствующей химическим энергиям (потенциалам ионизации) ek°h) для всех атомов в молекуле [2]:

,( ch)

= еГ + Xdo(er + e(ch)), e(ch) = X *kef). (12)

к = 1

С использованием данных [6] рассчитана энергия полной диссоциации молекулы на атомы:

H-ацетон : e(dch) = 30.7 • 106 Дж/(кг • K) ; D-ацетон : edch) = 28.2 • 106 Дж/(кг • K).

Энергию ионизации e(ch) рассчитывали, исходя из энергий связи для всех Z = 15 типов электронов молекулы ацетона. Каждый из этих Z типов электронов Ze в молекуле ацетона имеет свою энергию связи 9k = kETk, которая определяется температурой ионизации Tk [7]:

Z AT

(ch) -V NAVk

е( = X -M-xk^ =

(13)

к = 1

MI6 TD1XD1

■3 X ТкХк + X T

клк |

к = C1

к = O1

с , 102Дж/(кг ■ К) 25 г

20

15

10

cDis

CL

CG

10

T, 103 K

Рис. 2. Теплоемкости ацетона молекулярной жидкой и газовой (NDis) и диссоциированной (Dis) фаз.

функцией Грюнайзена (3) и (4), изохорический коэффициент давления Çp(p) аппроксимирован в виде

ÇV(p) ч R ( (0) . ,, (ок ( ( р —р— = Г(р)= 7- a + ( 1 - a ')exp[ -[ ^

5/4'

+ a 1) exp Н-^З

-4/3

(14)

Здесь а(0), а(1), р(0), р(1) - постоянные.

Зная состояние при нормальных условиях (Т = = То = 293 К, р = ро = 105 Па, р = рЬо, CL0 = 1189 м/с) и уравнение адиабатической скорости звука [3], с использованием (1), (2) получаем соотношения для нахождения параметров A, К, Ь, Г(р^) и Г'(рщ):

о А

С2и) = А(в(Ь -1) +1) -

рьо

где xk - уровень ионизации ^го типа электронов, vk - число соответствующих атомов в молекуле С^60 или С3Н60. В результате получаем полную энергию ионизации:

Н-ацетон: е(сЬ) = 8.456 ■ 109 Дж/кг,

D-ацетон: е(сЬ) = 7.663 ■ 109 Дж/кг.

Оценка температуры, соответствующей энергии

/£(СЬ) \ полной ионизации I —— ~ 3.9 ■ 106 К 1, показывает, что процесс диссоциации и ионизации завершается, когда температура не меньше 107 К.

Для молекулярной газовой и жидкой фаз, описываемых единым по давлению уравнением состояния (2) и различающимися теплоемкостью и

- CL0 T 0(Г0 + Г0 pL0 - ^0 ) + p- (Ç +

pL0

A - K + pL0r(pL0 ) cL0 T0 = p0.

1 ),

В критической точке pcr = p(pcr, Tcr) используем условия

-£) = 0 ( ¿p = ЭрЛ ' [Эр2/t

0.

Следовательно, при определении уравнения состояния молекулярной парожидкостной фазы задача сведена к нахождению 12 коэффициентов для получения согласования экспериментальных и расчетных данных по ударной и изотермической сжимаемости (рис. 1, 3), давления насыщения р^) и теплоты парообразования hG(T) в соответствии с (7), (8) (рис. 4).

Для молекулярной фазы ацетона ^ = m) с учетом (3)-(5) получены следующие параметры: Am =

1

z

p, бар 1011

1010 109 108 107 106 105 104 103 102 101

100 0

-2500 h

-5000 10-1

^ Dis

NDis

100

101

102

1

0.667

0.125 0

V_ V0

Рис. 3. Расчетные изотермы ацетона недиссоциированной жидкой и газовой (NDis) и диссоциированной (Dis) фаз. Г -функция Грюнайзена.

h, 105 (м/с)2 6г

4 -

2

300

350

400

450

p, бар 50

40

30

20

10

500 T, K

Рис. 4. Аппроксимация давления насыщения р§(т) (7) и расчетная теплота парообразования hLG(T) ацетона. Точки - экспериментальные данные [7].

= 0.73528 ■ 107 Па, bm = 41.602, Km = 0.40 ■ 109 Па, ßm = 0.3333, = 0.9, pL = 1.399pL0, a(0) = 13.5156, p(0) = 1.5072pL0, a(1) = 180.036, p(1) = 2.6145p

L0

H-ацетон: pL0 = 810 кг/м3, em = 0.6887 ■ 106 Дж/кг,

eGch) = 0.31 ■ 105 Дж/кг,

D-ацетон: pL0 = 894 кг/м3, em = 0.6240 ■ 106 Дж/кг. eGch) = 0.63 ■ 105 Дж/кг.

Коэффициенты диссоциированного и ионизированного состояния (к = d) рассчитывали по экспериментальным данным ударной адиабаты диссоциированного участка (см. на рис. 1, 3 линию Dis) с учетом (10)-(13):

Ad = 6.5 ■ 109 Па, bd = 16.0, Kd = 0.5 ■ 109 Па, ßd = 1.3333, ^ = 0.3333, pd = 2.0684pL0. H-ацетон: pL0 = 188

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком