научная статья по теме РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ПЛОТНЫХ ГАЗОВ Физика

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТ КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ ТРАНСПОРТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК БИНАРНЫХ СМЕСЕЙ ПЛОТНЫХ ГАЗОВ»

диффузии и вязкости рассчитаны в широком диапазоне давлений и температур объемной фазы для однокомпонентных газов и для смеси атомов аргона с молекулами азота.

МОДЕЛЬ

В МРГ объем системы V разбивается на ячейки размером порядка объема частицы у0 = X3, где X - линейный размер ячейки, V = Ыу0 (Ы - число ячеек в системе). Число ближайших узлов к данному узлу решеточной структуры обозначается через г. В каждом узле может находиться только одна частица: либо молекула сорта 1 (если центр массы молекулы находится внутри ячейки), либо вакансия. Обозначим число разных состояний занятости любого узла системы через 5, причем индекс, определяющий состояние занятости узла, будет принимать значение 5 в случае незанятого узла, т.е. вакансии. Нахождение молекулы в ячейке не означает фиксацию ее центра масс; иначе говоря, она обладает поступательными, вращательными и колебательными степенями свободы [20], при этом свойства системы рассматриваются в зависимости от параметров термостата. Связь между состояниями системы и термостата вытекает из условия равенства химических потенциалов молекул в системе и термостате.

Как известно, концентрация молекул сорта 1 равна п. = N./V, где N. - число этих молекул в объеме V. В МРГ концентрацию компонента флюида характеризуют величиной О, = N. /Ы, равной отношению числа реальных частиц в некотором объеме к максимально возможному числу плотно упакованных частиц в том же объеме. Это дает возможность связать общепринятую и решеточную концентрации молекул сорта 1 соотношением О, = пу0, а полную концентрацию в МРГ О =

= Х5 -1 Ог и концентрацию смеси п = =1П формулой п = О/у0.

Величина а. = Ру^ 0 - отношение статистических сумм для молекулы 1, находящейся в ячейке (Р.) и термостате (^ю); ^ =

= ^пост ^кол ^,ращ, где сомножители соответствуют поступательным, колебательным и вращательным степеням свободы; аналогично и для ^г0, в = 1/кТ, где к - константа Больцмана, Т -температура флюида. Для молекул сферической формы примерно одинакового размера

Кращ в ячейке и ^щ

в рамках модели Эйнштейна. Отношение объема ячейки, в котором происходит движение компонента г , к соответствующему объему при О = 0 можно

записать в виде VI(О)/VI(О = 0) = [1 - =11 (1 -

- КуУу (1)]3, где Ку - средний относительный объем области движения центра массы молекулы 1 при термодинамических параметрах флюида в окрестности тройной точки, 0 < Ку < 0.15 [21].

Межмолекулярные взаимодействия компонентов 1 и у на расстоянии г координационных сфер описываются эффективным параметром типа Лен-нард-Джонса Су (г), который может быть функцией температуры и локального состава:

е,А> = 4е° эф{{Г1,

с = е

°г у, эф

1- Д1к ^ d1]kt1]k(1>

(1) (1- и уТ).

к = 1

термостате можно считать

идентичными, тогда а, = Ру,^ V ,{О)/V ,(О = 0), где Vi(О) - свободный объем ячейки, в котором движется центр масс молекулы 1. В термостате газ считается идеальным, поэтому ^(О = 0) = у0. Ниже ограничимся учетом колебаний в плотной фазе

Здесь Су эф - глубина ямы эффективного парного потенциала взаимодействия, учитывающая в первом приближении тройные взаимодействия с соседними частицами и температурный фактор при усреднении межчастичных взаимодействий

[13, 22]; е0 = ^г0,е0 - энергия парного взаимодействия компонентов 1 и у при малых плотностях

0 0-смеси, егг и Су - глубина потенциала взаимодействия двух одинаковых молекул в однокомпонентных флюидах 1 и у соответственно; величина Су - расстояние наибольшего сближения двух твердых сфер компонентов 1 и у , Су = (сг-г- + су )/2; параметр иу учитывает температурную зависимость эффективного парного потенциала; Д1г -символ Кронекера, выделяющий тройные вклады только для ближайших соседей; ёук - относительная доля вклада тройных взаимодействий в эффективный парный потенциал Су (г) (в данной работе величины ёук подбираются с использованием экспериментальных данных по сжимаемости); функция t ук(1) - вероятность нахождения молекулы к в первой координационной сфере двух центральных молекул у. Согласно [13, 16] tуk(r) = = t 1k(г)t]k(г)/Оk; функции t у (г) = О у (г)/О , описывают условную вероятность нахождения соседней частицы у на расстоянии г от центральной частицы 1; Оу (г) - вероятность нахождения пары молекул у на расстоянии г.

РАВНОВЕСНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Связь между парциальными давлениями р. в термостате (1 < 1 < 5 - 1) и концентрациями рас-

сматриваемой системы 0г осуществляется с помощью изотермических уравнений [13]:

= I 0,

0Л 1 + g( г)

Л, Л. = П Б

<Г)

х -1

Б(г) = 1 + 2 ху(г) у г),

1 = 1

(2)

Вч(г) 0» = вг,(г) 0,;(г)ехр (-реу(г)),

Е0г/г) = 0г.

1 = 1

(3)

Для сжимаемой решетки постоянная решетки X определяется из условия минимума свободной энергии системы [21, 23]

г, - 1

Е = N .¡2

^ = Е - ТБ,

Я х-1

0г 1п (а.) +1/2 2 г(г) £ег;(г) 0ч(г)

г = 1 1 = 1

(4)

х Я

X

(Пг)-12/ 22(г)Хаг; 01 (г)(Пг)-6]1

Уравнения (1)-(4) определяют неявную зависимость X и, следовательно, объема ячейки v0 = X3 от плотности и температуры.

Калибровочная функция g вводится для обеспечения в критической точке условия С 1п Р/С0|т = = сРЫ Р/С02| т = 0, где Р - давление флюида. Эта функция отлична от нуля только в небольшой окрестности критической температуры, в которой экспериментальные данные определяются с большой погрешностью. В данной работе использовалась следующая форма представления этой функции [24]:

где функция Лг учитывает взаимодействия между молекулами на расстоянии Я координационных сфер в КХП, g(r) - калибровочная функция, повышающая точность расчета в окрестности критической температуры [22]; z(г) - число узлов г-ой координационной сферы, 1 < г < Я, г(1) = г; х у (г) = = ехр(-ре 1 (г)) - 1, р = (£Т)-1.

В случае равновесного состояния функции 0у(г) в КХП описываются с помощью следующей системы алгебраических уравнений [13]:

g(т) = ge

(1- А) ехр (-В(тв - т)), т* <т<те,

( 1- А )(т - Те)/(тс - Те), Те < Т < Тс, (5) (1- А) ехр (-В1 (т - тс)), тс <т<т *,

где т = (Ре)-1, те и тс - безразмерные температуры для точного и приближенного значений критической температуры рассматриваемой системы (здесь и ниже критические параметры приводятся с индексом с). Параметры А и В определяют кривизну кривой сосуществования в критической области. Подбор параметров А и В осуществляется подгонкой теоретических данных к экспериментальным по фазовым диаграммам индивидуальных веществ.

Уравнение состояния в МРГ записывается как [12, 13]:

рР V 0 = |0' С1п (р (0')).

(6)

Б = Ж2[0г 1П (0г)] +

г = А

Я

+ 1/222г(г) [0г;(г)1п0^) - 0г0; 1п(0г0у)] .

1 =Аг= 1

Считая, что при произвольных плотностях флюида сохраняется подобие решеточной структуры, получаем, что все значения г(г) сохраняют свои значения, как для жесткой решетки, а расстояния между первыми и последующими соседями связаны соотношениями г = Хпг, где пг - числа подобия для разных расстояний г. Для изотропной объемной фазы X = [22г(г)2агу0у(г) X

г ч 1/6

Коэффициент сжимаемости 2 определяется соотношением 2 = рР^/0. При малых плотностях уравнение (6) переходит в уравнение состояния идеального газа РР^ = 0 или РР = п.

ТРАНСПОРТНЫЕ КОЭФФИЦИЕНТЫ

В МРГ, как и в кинетической теории жидкостей, при вычислении транспортных коэффициентов используется понятие о вероятности перескока (или смещения) молекулы wг■(х) на расстояние %: w1(x) = х иV (х)/ 0 г}, где иV (х) - скорость перескока молекулы г из ячейки / в свободную ячейку g на расстояние х (индекс ^ указывает направление, откуда молекула г получила импульс для данного перескока в направлении узла g). Для расчета скорости перескока частицы применяется модель переходного состояния Эйринга [25], которая трактует смещения молекул как актива-ционный процесс преодоления энергетического барьера (выражение для энергетического барьера см. ниже). Такая трактовка оказалась эффективной во всех агрегатных состояниях [13, 16]. Зная тепловые скорости компонентов смеси, можно получить выражение для различных транспортных коэффициентов.

г

а

0

г

Коэффициент взаимной диффузии бинарной смеси. Для плотных фаз коэффициент взаимной диффузии может быть представлен в виде [26]

= х2[ £^(х)- ^(х) ] +

+

х1[ В^г(х) - ],

(7)

^гк

где В^ (х) - коэффициент массопереноса молекул г под влиянием потенциала молекул к [26]:

х - 1

В^(х) = 2 вГ(х),

1=1

(8)

В^(х) = *(х)сс|1п { 7>g(х) 4(р)},

ВШ *(х) = 4(х) х2 иШ ЧхУ (0Ш V о), УШ(х) = 0Г(х) а,}рг/[ Ш(х) % (х) ], (9) Уу(р) = < ^(р)> / БЩ^(р).

Здесь В^к (х) - "парциальные" диффузионные коэффициенты переноса массы вследствие столкновений молекул г с соседними молекулами

(1) г*

У; ВШ (х) - коэффициент переноса метки г за счет столкновения с соседями у (меткой называется молекула конкретного сорта, свойства которой несколько отличны от свойств других молекул того же сорта: например, изотопы, возбужденные молекулы), зависящий от плотности смеси и межмолекулярного взаимодействия метки со всеми соседями; р - расстояние, на котором происходит прямое столкновение молекул с обменом импульсами; г* (х) - число возможных перескоков между узлами на расстояние х для каждой ячейки /

Величина У'^ (х) зависит только от функций

равновесного распределения компонентов (2), (3).

*

Величина а^рг входит в уравнение для парциальных изотерм (2), которые связывают разность химических потенциалов компоненты г и вакансий.

Здесь а* = а г/ас, где а* - составляющая, не зависящая от плотности функции а, в то время как со-

с

множитель аг учитывает все концентрационные вклады. В частности, например, если считать, что колебания не зависят от плотности, то а* =

= вV)Кол/Кол и аС = У(0))/У(0 = 0). С увеличением расстояния х отношение 0 Ш (х)/[ Ш (х) ^ (х)] быстро стремится к единице, и для макроскопических расстояний полученное выражение для коэффициента переноса массы молекул при изменении мольных долей хк переходит в известное

выражение [27, 28], связывающее коэффициент переноса массы с градиентом химического потенциала компонента г. В отличие от случая идеального газа коэффициент взаимной диффузии в плотной фазе зависит не только от индивидуальных свойств сталкивающихся молекул, но и от межмолекулярных взаимодействий.

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