Способ определения термодинамических характеристик конденсированных сред

)5 601 М 27 МИТЕТОТКРЫТИЯМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР ИЕ ИЗ А К АВТО ститут ни Есельсон ство СССР9, 1969,цге Яс. апГ., 1 е Сгеп220-222.ЕНИЯ ТЕРИСТИК К сИпо. 1979,МОДИ- НДЕНМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(56) Авторское свидетель М 315986, кл. О 01 К 3/1ЯсаГеЮ.ОН 9 и Ргезз Ргос, 7-й п 1. АВАРТ Соп чо, 1, Ох 1 огб е,а 1980, р, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛ НАМИЧ ЕСКИХ ХАРАКТЕ СИРОВАННЫХ СРЕД Изобретение относится к исследованию материалов, в частности отвердевших газов, путем определения их физических свойств и может быть использовано при измерениях характеристик, относящихся к термическому уравнению состояния отвердевших газов (криокристаллов) Ч = Ч(Р,Т), таких как; фактор сжимаемости, изотермическая сжимаемость, коэффициент теплового расширения, коэффициент теплового давления и дрздесь Ч = М/ р - молярный объем, М - масса моля, р - плотность, Р - давление, Т - температура. Указанные характеристики являются основополагающими при решении задач, относящихся к исследованиям и применениям отвердевших, как впрочем, и ожиженных газов,Известен способ определения указанных характеристик конденсированных га(57) Использование: физика, в частности исследование криокристаллов путем определения их физических свойств, Сущность изобретения; измеряют зависимость диэлектрической проницаемости а исследуемого кристалла от давления Р и температуры Т,после чего проводят измерения зависимости е(Т) для заданного количества фиксированных значений молярного объема в заданном интервале изменения давления, Устанавливают зависимость поляризуемости а от давления, которую учитывают в уравнении Клаузиуса - Массотти при определении плотности р, 2 ил. зов, в котором проводят измерения диэлектрической проницаемости е(Р,Т), преобразуемой затем в нужную характеристику, например способ определения изотермической сжимаемости отвердевших газов, способ определения давления и плотности жидкости при высоких давлениях, В качестве прототипа выбран последний, как наиболее близкий по технической сущности; в нем измеряют зависимость диэлектрической проницаемости от давления и температуры и, используя уравнение Клаузиуса-Моссотти, определяют плотность и давление исследуемой жидкости.Потенциальные возможности приведенных и им подобных способов в повышении точности определения РЧТ соотношения и связанных с ним термодинамических характеристик конденсированныхдиэлектрических сред обусловлены достигнутым в настоящее время высоким уровнем точности и чувствительности измерений электрической емкости, используемых при определении е . Однако реализации этих возможностей препятствует то обстоятельство, что уравнение Клаузиуса-Моссотти8 - 1 М 4- = - лйда,я+2 Р 3используемое для последующего преобразования е вр и иные характеристики, связанные с уравнением состояния, строго выполняется лишь при р -+ 0 (разреженный газ), при этом (1) является константой, здесь Мд - число Авогадро, а - поля ризуемость. С увеличением плотности происходит отклонение а от постоянного значения. Следовательно, для достижения высокой точности при определении характеристик конденсированных газов по данным измерений я, помимо высокой точности самих измерений е, необходимо, чтобы была известна с доста. точной точностью поляризуемость а. Этого пытаются достичь путем учета зависимости а(р), получение которой, однако, экспериментально весьма сложно, а теоретически доступно лишь в частных случаях и в весьма приближенном виде, причем подходы к получению и учету изменения а(р), используемые в случае сжатого газа и жидкости, не обеспечивают повышение точности в случае кристалла, где поляризуемость претерпевает скачок по сравнению с газом и жидкостью, а характер ее зависимости от плотности оказывается существенно иным.Недостатком известных способов определения термодинамических характеристик, связанных с уравнением состояния конденсированных сред, является, таким образом, их недостаточная точность в применении к отвердевшим газам.Целью изобретения является повышение точности определения термодинамических характеристик отвердевших газов (криокристаллов) по данным измерений их диэлектрической проницаемости,Цель достигается тем, что в известномспособе определения термодинамических характеристик конденсирбванных сред, при котором измеряют диэлектрическую проницаемость среды в зависимости от темпеоа-, туры и давления, составляют уравнение состояния, по которому определяютуказанные выше характеристики, не менее чем для двух фиксированных значений молярного объема в заданном интервале изменения давления дополнительно проводят измерения изменений диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры и сучетом полученных величин определяют характеристики отвердевших газов.5 Возможность достижения положительного эффекта при криогенных температурахобоснована на примере водорода и дейтерия, По результатам теоретического рассмотрения и непосредственных измерений10 е (Р) при постоянном Т, а также г Щ припостоянном Р показано,что в измененииа(р) конденсированных газов определяющим при низких температурах являетсявоздействие давления, Поскольку(дьдТ)у позволяют определять измене, ние ас давлением, т.к. при постоянноммолярном объеме изменениеТ вызывает изменение Р. Такие измерения целесообразно выполнить для несколькихзначений Ч в заданном диапазоне изменения давления с целью повышениянадежности определения Ла, принимая во внимание малость последних.Полученные данные о Ьаучитываютсяв преобразовании е-+р(1), что обеспечивает, таким образом, повышение точности определения РЧТ - соотношенияи связанных с ним величин по даннымизмерений е,На фиг, 1 показана установленная авторами зависимость поляризуемости от давления для твердого и( Я - точки,полученные с использованием литературных данных о плотности дейтерия;+ - точки,полученные на основании измеренийде/д Т)ч) и жидкого и(О - для Т= 20,4К; А - для Т=20 К),4 На фиг. 1 показана схема устройствадля измерения е(Р,Т), (д е/д Т)ч. Устройствосодержит герметичную измерительнуюячейку 1, помещенную в криостат (не показан ы). Ячейка 1 представляет собой электри-ческий конденсатор, между обкладкамикоторого находится исследуемое вещество.Электронная схема 2 обеспечивает измерение путем обработки сигнала с конденсатора-ячейки, Ячейка обеспечена системойтермостатирования и измерения температуры 3 образца, системой контроля и регулирования температуры у входа в ячейку 4,обеспечивающей заполнение ячейки твердым образцом при заданных значениях Ч,Систему 4 образуют: германиевый термометр сопротивления, хладоподводы, соединяющие верх ячейки с резервуаром холода40 45 50 55 крышке ячейки, на трубке, соединяющей ячейку с газовой системой высокого давления, а также на цилиндрической стенке самой ячейки на расстоянии около 1 см от крышки (длина всей ячейки около 14 см), Установка содержит также устройства 5, 6 для запирания ячейки и измерения Л Р при выполнении измерений (д Р/д Т)ч. Магистраль 7 соединяет ячейку 1 с баллоном 8, содержащим исследуемое вещество в газообразном состоянии, а также с термокомпрессором 9, создающим давление, необходимое для достижения выбранных значений Ч, В систему высокого давления включены: образцовый манометр 10 для измерения давления, контрольные манометры 11, 12, форвакуумный насос 13, запорные и регулирующие вентили 14 - 18,Способ осуществляют следующим образом.Вакуумируют измерительную ячейку 1 (включен форвакуумный насос 3, открыты вентили 14, 15 и запирающее устройство 5), охлаждают ее и конденсируют в нее исследуемое вещество из баллона 8, затем получают в ней образец, проводя кристаллизацию под давлением порядка десятков атм для получения качественного образца (без усадочных раковин и трещин), С помощью схемы 4 поддерживают у входа в ячейку жидкую фазу исследуемого вещества (расплав), обеспечивая передачу к образцу давления, После этого проводят обычные измерения я(Р)Т и е(Т)Р. Далее при помощи баллона 8 или термокомпрессора 9 создают давление, необходимое для получения заданного значения Ч. После достижения заданного значения Ч кристаллизуют расплав на входе ячейки и запирают ее, например, с помощью механического низкотмпературного вентиля. Практически же в наших экспериментах запирание ячейки достигалось кристаллизацией вещества в подводящей трубке и охлаждением ее на 5 - 8 К ниже линии плавления исследуемого вещества. Далее измеряют (дя/д Ту с помощью схем 2 и 3. Если у исследуемого вещества отсутствуют данные (д РlдТ)у, их получают с помощью блока 6 наряду с данными (д е/дТ)ч. По данным этих измерений, выполненных для нескольких значений молярного объема, приходящихся на заданный интервал рабочих давлений, устанавливают зависимость а(Р), которую и учитывают в уравнении КлаузиусаЛоссотти(1), преобразуя ев р,Результаты использования способа иллюстрируются на примере измерений твердого 5 10 15 20 25 30 35 и. Измерения ( д е/д Т)ч производились в интервале 13,5 - 16,5 К при значениях молярного объема, соответствующих давлениям, указанным в табл, 1.Зависимость а (Р), построенная с помощью данных таблицы 1, представлена на фиг.1(+, Р 100 кг/см ). На фиг.1 приведена также зависимость а (Р) для жидкой фазы и-Ог ( О, А). Из их сравнения видно, что характер зависимости поляризуемости от давления для твердой фазы существенно отличается от характера зависимости а(Р) для жидкой фазы, а абсолютные значения а претерпевают скачок при переходе из жидкого состояния в тверрое с а=0,793 х х 10 см до а= 0,7975 10 смз. Втабл.2 представлены результаты наших измерений яэксп для кристаллической фазы на линии плавления и полученные из них с учетом а(Р) данные рзксп. Погрешность последних составила, 0,1. Если же не проводить измерения (д е/д Т)ч и ограничиться данными о поляризуемости жидкой фазы и свойственной ей зависимостью а(Р) (фиг. 1, О, А), то погрешность в определении плотности достигает 0,6 ф.С использованием предложенного метода определены РЧТ данные, изотермическая сжимаемость и тепловое расширение твердых р-Н 2 и и-Ог при давлениях до 500 кг/см в температурном интервале, достигающем линии плавления и составляющем около 0,5 интервала существования, Точность полученных значений плотности и сжимаемости вне линии плавления до 3 - 5 раз выше, чем у имеющихся в литератуое немногочисленных данных,Формула изобретения Способ определения термодинамических характеристик конденсированных сред, заключающийся в том, что измеряют диэлектрическую проницаемость среды в зависимости оттемпературы и давления, составляют уравнение состояния, по которому определяют указанные выше характеристики, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности определения характеристик отвердевших газов при криогенных температурах, не менее чем для двух фик- . сированных значений молярного объема в заданном интервале изменения давления, дополнительно проводят измерения изменений диэлектрической проницаемости в зависимости от температуры и с учетом полученных величин определяют характеристики отвердевших газов,1787407Таблица 1 Значения (д ад Тч, полученные в результате измерений, и соответствующие им значения аале Р.Та бл Р-р-Т соотношение для твердого дейтерия на линии плавленкlсм17 б 7407 Редактор Корректор И. Шмакова м при ГКНТ ССС тельский комбинат "Патент", г. Ужгоро ага рина оизводственн Заказ 3544 8 НИИПИ Госуд Составитель Б, УдовиченкТехред М.Моргентал Тираж Подписное венного комитета по изобретениям и открыт 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5