ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2013, том 51, № 3, с. 392-411
ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
УДК 536
СОВРЕМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВ (НА ОСНОВЕ ПОСЛЕДНИХ ПУБЛИКАЦИЙ В ТВТ)
(Обзор) © 2013 г. Э. Е. Сон
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: Son.Eduard@gmail.com Поступила в редакцию 21.01.2013 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Термодинамика и транспорт в газах и жидкостях.
Квантовые расчеты молекул и кластеров.
Фазовые переходы газ—жидкость.
Жидкие металлы.
Жидкий углерод.
Термодинамика твердых тел.
Фазовые переходы в конденсированной фазе.
Теплофизические свойства нефтепродуктов, углеводородов и хладоагентов.
Заключение.
Список литературы.
В настоящем обзоре представлены результаты публикаций последних пяти лет в журнале "Теплофизика высоких температур" по теплофизиче-ским свойствам веществ. Опубликованные статьи содержат результаты экспериментальных и теоретических работ и численного моделирования теп-лофизических свойств веществ. Анализ статей показывает, что, несмотря на некоторое сокращение экспериментальных работ, вопросы теплофизики веществ продолжают оставаться одним из центральных направлений публикаций журнала. Следует отметить также широкую географию авторов, представляющих регионы России и ближнего зарубежья (Украины, Казахстана) и других стран, с которыми ученые России ведут плодотворное сотрудничество в области теплофизиче-ских свойств веществ.
ТЕРМОДИНАМИКА И ТРАНСПОРТ В ГАЗАХ И ЖИДКОСТЯХ
В.Н. Поповым (ОИВТ РАН) [1] предложен метод расчета второго и третьего вириальных коэффициентов, а также интегралов столкновения на основе модельных потенциалов. Для ртути рассмотрено и проанализировано пять модельных потенциалов. По одному выбранному из них для ртутного пара рассчитаны второй и третий вири-альные коэффициенты. В третьем вириальном коэффициенте учтены аддитивная и неаддитив-
ная компоненты. Рассчитаны вязкость и теплопроводность разреженного пара по интегралам столкновения на основе выбранного модельного потенциала. Полученный результат введен в базу данных, с помощью которой вычислены таблицы теплофизических свойств насыщенного и перегретого паров ртути, в результате чего получено новое уравнение ее состояния. Найдены второй и третий вириальные коэффициенты, третий с аддитивной и неаддитивной составляющими. Рассчитаны вязкость и теплопроводность разреженного пара ртути.
А.В. Клиновым, А.В. Малыгиным и Л.Р. Мини-баевой [2] из Казанского технологического института изучены влияние трехчастичных межмолекулярных взаимодействий на поведение различных термодинамических свойств одноатомных жидкостей (давление, внутренняя энергия, химический потенциал) и условия фазового равновесия пар-жидкость. Рассмотрены системы, в которых двухчастичные межмолекулярные взаимодействия описывались потенциалом Леннарда-Джонса, а трехчастичные — потенциалом Аксильрода-Тел-лера. Для решения задачи использовались метод Монте-Карло и метод частичных функций распределения. Данные, полученные с помощью этих методов, хорошо согласуются между собой. Во многих случаях для адекватного описания термодинамических свойств газов и жидкостей потенциальная энергия молекул может быть представлена в виде суммы двухчастичных взаимодействий, взаимодействиями более высокого порядка обычно пренебрегают. Однако, как показано во многих работах, при больших плотностях трехча-стичные межмолекулярные взаимодействия могут оказывать значимое влияние на величину термодинамических свойств веществ. Учет трехчастичных взаимодействий также представляет интерес с точки зрения описания термодинамических свойств несферических молекул. Влияние трехчастичных взаимодействий на поведение термодинамических свойств и условий фазовых равновесий достаточно подробно изучено для благородных газов. В их случае величина трехчастичных взаимодействий невелика по сравнению с двухчастичными, а их вклад в термодинамические свойства может до-
стигать порядка 10—15%. Здесь же рассмотрены одноатомные флюиды, однако исследования проводятся для более широкого интервала величин энергий трехчастичных взаимодействий, что расширяет диапазон данных, позволяющих анализировать особенности влияния неаддитивной составляющей потенциальной энергии на термодинамические свойства. В качестве целей исследований не предполагалось изучения термодинамических свойств какого-либо реального вещества, так как количество веществ, взаимодействие молекул в которых носит центральный характер, ограничено. Это — молекулы с симметрией, близкой к сферической: благородные газы, СН4, Ср4 и т.п. Кроме того, при сравнении молекулярно-стати-стических расчетов термодинамических свойств с физическим экспериментом основным источником ошибки является некорректное описание парных межмолекулярных взаимодействий, поэтому, например для благородных газов, эти взаимодействия приходится аппроксимировать многопараметрическими потенциальными функциями. Исследование влияния трехчастичных межмолекулярных взаимодействий на термодинамические свойства и условия фазового равновесия пар-жидкость одноатомных веществ проводилось на основе метода Монте-Карло и метода частичных функций распределения. Основным недостатком последнего метода является то, что он обладает большой трудоемкостью, особенно при анализе систем с трехчастичными межмолекулярными взаимодействиями и, следовательно, требует значительных вычислительных ресурсов. Поэтому в работе этот метод использовался только для оценки точности некоторых результатов другой теории — теории интегральных уравнений для частичных функций распределения. Моделирование методом Монте-Карло выполнено для системы, состоящей из 512 молекул в кубической ячейке с периодическими граничными условиями. В качестве начальной конфигурации было выбрано распределение молекул в узлах кубической решетки. Выполнено 1 х 106 передвижений молекул до установления равновесного распределения. Далее проводилось усреднение динамических функций, с помощью которых определялись значения давления и внутренней энергии (2 х 106 передвижений). Для нахождения радиальной функции распределения решалось уравнение Орн-штейна—Цернике.
Н.С. Галибиным [3] из Самарского государственного технического университета получено уравнение состояния газов, которое представляет собой свернутую форму вириального уравнения состояния, выраженную через экспоненциальные функции вириальных коэффициентов. Показаны возможности применения этого уравнения в широком диапазоне давлений и температур. На примере метана описана возможность применения предложенного уравнения в широком интервале температуры и плотности газа. Таким об-
разом, проявляется взаимная зависимость между коэффициентами вириального уравнения состояния, которая позволяет проводить расчет вири-альных коэффициентов высшего порядка.
Этот же автор использовал теорему вириала для определения параметров потенциала взаимодействия двух молекул на примере потенциала Ми и четырехпараметрического потенциала Лен-нарда-Джонса ^Ы) [4], что позволило определить показатели степени при межмолекулярном расстоянии. На примере ряда веществ отражено использование теории парных столкновений для нахождения потенциала межмолекулярного отталкивания. Выявлена статистическая характеристика газов, позволяющая сформулировать потенциал межмолекулярного притяжения. В целях проверки изложенного материала рассмотрено восемь веществ и для каждого вещества независимым путем определено по четыре параметра. Заметим, что даже незначительное отклонение одного из 32 независимых параметров привело бы к существенной погрешности в определении величины а. В работе показана высокая точность определения а по найденным параметрам и очевидно, что вероятность случайного совпадения при таком числе независимых параметров ничтожно мала. Сопоставление расчетных и табличных значений параметра а восьми газов позволяет сделать вывод о применимости метода для расчета потенциала взаимодействия двух молекул. Теорема вириала позволяет установить зависимость между показателями степени М, N при межмолекулярном расстоянии г потенциала GLJ и показателями степени т, п при температуре в функции В(Т). Здесь параметр М по результатам расчетов для рассмотренных неполярных и слабо полярных (окись углерода) веществ равен величине М = 3 и существенно отличается от значения М = 6 потенциала 6—12 Леннарда-Джонса. Усредненное по времени расположение молекул в газе соответствует кубической гранецентрированной структуре, а усредненное по времени расстояние между ближайшими молекулами для газов, описываемых уравнением Ван-дер-Ваальса (т = 1), и потенциал сил притяжения V~ г — 3 отвечают резонансному типу межмолекулярного взаимодействия.
В работе И.К. Локтионова [5] (Донецкий национальный технический университет) использовалось семейство двухпараметрических осциллирующих потенциалов взаимодействия для статистического описания равновесных теплофизических свойств простых жидкостей. Основные результаты сводятся к следующему:
установлено, что в системах с модельными потенциалами происходит фазовый переход (ФП) первого рода;
получена аналитическая связь между параметрами потенциалов и координатами критической точки (КТ);
показано, что на линии равновесия фаз теория дает правильное качественное описание тепло-
физических свойств, но недостаточную точность в численных оценках изобарной теплоемкости;
расчеты свойств при постоянном давлении в надкритической области приводят в основном к удовлетворительным количественным результатам при их сравнении с данными измерений.
Эти обстоятельства могут служить аргументами в пользу применимости осциллирующих потенциалов для описания теплофизических свойств простых жидкостей и их использования в качестве удобного нулевого приближения при рассмотрении термодинамики модельных систем с многопараметрическими потенциалами, образованными из "простейших" потенциалов с целью уточнения теоретических расчетов. Если учесть, что основные равновесные свойства системы, состоящей из частиц с короткодействующим взаимодействием, определяются поведением потенциала на малых расстояниях, т
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.