Изучение термодинамических свойств жидких щелочных металлов модуляционными методами
На правах рукописи
Соболева Анна Владимировна ИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХ ЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ МОДУЛЯЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ Специальность 01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв, физика экстремального состояния вещества
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москва – 2013 2
Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова кандидат физико-математических наук, Научный руководитель доцент Благонравов Лев Александрович доктор физико-математических наук, Официальные оппоненты Алексеев Павел Александрович доктор технических наук, Арнольдов Михаил Николаевич Объединенный институт высоких Ведущая организация температур РАН (ОИВТ РАН)
Защита состоится «13» февраля 2013 года в _час. мин. на заседании диссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, Центр коллективного пользования МГУ, конференц-зал.
С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)
Автореферат разослан «_»_2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 501.002. в Московском государственном университете кандидат физико-математических наук Т.В. Лаптинская
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Экспериментальные и теоретические исследования жидкого состояния являются одной из важнейших задач современной физики. Исследование структурных изменений в жидких щелочных металлах, их свойств и структуры являются важным для развития физики жидкого состояния, поскольку жидкие щелочные металлы относятся к классу простых жидкостей, состоящих из симметричных сферических частиц, между которыми действуют ненаправленные и ненасыщенные силы связи. Кроме того, жидкие щелочные металлы в силу присущих им свойств являются материалами, которые находят применение в энергетике (в качестве теплоносителей в атомных электростанциях). С начала 60-х годов стали появляться публикации, авторы которых указывали на необычный характер поведения некоторых чистых жидких металлов. На температурных зависимостях плотности и вязкости наблюдались скачки и перегибы. Известно, что фазовые переходы в жидкостях не такое распространенное явление, как в твердых телах. Поэтому нарушение плавного характера изменения макроскопических свойств с температурой, обнаруживаемые в однокомпонентных металлических расплавах, вызывает неоднозначный отклик специалистов. В связи с этим вопрос о возможности структурных переходов в жидких металлах остается дискуссионным и, хотя аналог полиморфных превращений должен существовать в жидком состоянии, исчерпывающий ответ будет получен путем усовершенствования эксперимента и, естественно, дальнейшего развития теории жидкого состояния.
Цели диссертационной работы 1. Определение теплофизических параметров цезия по данным ранее проведенного эксперимента по измерению теплоемкости в закритической области.
2. Внесение усовершенствований, направленных на увеличение точности и достоверности получаемых данных, в установку для измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей, на которой реализован компенсационный метод с применением двойной модуляции.
3. Анализ нарушения адиабатических условий при измерениях адиабатического термического коэффициента давления, теплоемкости и коэффициента теплового расширения (АТКД).
Научная новизна результатов 1. Впервые определены значения температуропроводности и теплоемкости цезия в не исследованной ранее закритической области.
2. Усовершенствован способ обработки экспериментальных данных, получаемых на установке, реализующей новый компенсационный метод измерения КТР проводящих жидкостей. Создана оригинальная программа в среде LabVIEW, которая позволяет осуществлять фурье анализ регистрируемых сигналов непосредственно в процессе проведения эксперимента, что существенно увеличивает точность измерений и поднимает надежность определения КТР.
Основные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель теплового процесса, имеющего место в 1.
проводящих и непроводящих жидких образцах при периодическом нагреве. Формулировка критерия соответствия моделируемых процессов тем, которые протекают в реальном эксперименте.
Результаты, полученные для теплоемкости и температуропроводности цезия в закритической области.
2. Аналитическое выражение для поправочной функции, учитывающее нарушение адиабатических условий в измерениях АТКД и теплоемкости жидкостей.
3. Результаты апробации установки, реализующей компенсационный метод измерения КТР, полученные на жидком цезии в температурном интервале 35-200С. Программное обеспечение обработки сигналов, позволяющее осуществлять фурье-анализ непосредственно в процессе измерений, что обеспечивает повышенную точность измерений.
Практическая значимость.
Закритическая область в настоящее время привлекает большое внимание исследователей, так как вещество в этом состоянии обладает особыми свойствами. Отмечается необычайно высокая растворимость в закритической области, что используется для получения особо чистых материалов. Интересен и факт потери проводимости в сверхкритическом флюиде при непрерывном уменьшении плотности, т.е. в условиях отсутствия скачка плотности.
Разработка высокочувствительного метода измерения коэффициента теплового расширения (КТР) жидких металлов дает возможность изучать свойства веществ вблизи границ фазовой устойчивости. Метод может найти применение в изучении аномального поведения КТР вблизи критической точки расслаивания двойных жидких смесей.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на следующих конференциях:
- на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2006». Секция «Физика». Физический факультет МГУ. 2006.
- на 13-ой Международной конференции по жидким и аморфным металлам (LAM 13) Екатеринбург. - на Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2010». Секция «Физика». Физический факультет МГУ. - на Международной конференции «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ». Санкт-Петербург. 2010.
- на 13-й Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-13). Новосибирск. 2011 г.
- на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция физики.
Москва. 2011.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы пять статей в научных журналах и тезисы шести докладов.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературы и содержит 121 страницу текста, включая 60 рисунков и 7 таблиц.
Основное содержание диссертации.
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, определяются конкретные задачи работы.
В первой главе проведена систематизация литературных данных по исследованию температурных зависимостей термодинамических свойств жидких металлов. Наличие аномалий на этих температурных зависимостях, в частности, скачок адиабатического термического коэффициента давления (АТКД) в цезии при температуре около 600К, указывает на возможность структурного превращения в жидких металлах.
Показано, что основной вклад в аномальное поведение АТКД вносит коэффициент теплового расширения. Делается вывод о необходимости более детального изучения коэффициента теплового расширения (КТР) новым компенсационным методом с применением двойного модуляционного воздействия.
Описаны методы изучения термодинамических свойств материалов.
Модуляционные методы основаны на том, что в исследуемый образец вводится энергия, при этом мощность имеет периодическую составляющую, которая вызывает в образце температурные колебания.
Измеряя амплитуду этих температурных колебаний, можно определить теплоемкость образца. В этом и заключается сущность модуляционной калориметрии. В 1960 г. модуляционные методы стали применяться и в дилатометрии, т.е. в изучении теплового расширения. Первые измерения проводились на проволочных образцах, которые нагревались переменным электрическим током, при этом регистрировалась амплитуда колебаний длины образца.
Приведенные выше методы измерения подходят преимущественно для твердых образцов. Для изучения диэлектрических жидкостей использовались методы на основе регистрации тепловых потоков. Эти методы основаны на косвенном определении коэффициентов теплового расширения и изотермической сжимаемости исследуемой жидкости по значениям теплового потока Q, который исходит от ячейки и действует на термоэлектричесие батареи, и изменению температуры исследуемой жидкости при различных изменениях давления.
Впервые попытка непосредственного исследования коэффициента теплового расширения расплавленных металлов при высоких температурах была предпринята на кафедре теплофизики МИФИ. Для этого был разработан оригинальный метод дифференциального гидростатического взвешивания. Этот метод основан на одновременном взвешивании двух одинаковых по объему и массе поплавков, подвешенных к весам на тонких нитях и погруженных в отдельные стаканы с исследуемой жидкостью. Весы выводят из положения равновесия путем добавление на одну чашу весов груза массой m.
Равновесие весов восстанавливают путем создания разности температур в стаканах с исследуемой жидкостью. При достижении равновесия по разности температур вычисляется температурный коэффициент объемного расширения, усредненный в интервале температур от Т0 до Т1 + Т2/2, где Т – температура опорной точки, в которой измеряется плотность исследуемой жидкости. Т1 и Т2 – температуры исследуемой жидкости в разных стаканах. Поскольку данный метод ориентирован на получение усредненного КТР, то это обстоятельство снижает возможность его эффективного использования при изучении аномалий термодинамических параметров жидкостей, проявляющихся в довольно узком температурном интервале.
Вторая глава посвящена изучению теплофизических параметров цезия в закритической области на основе проведенных ранее экспериментов по изучению теплоемкости методом периодического нагрева [1].
В первом параграфе представлен краткий литературный обзор существующих представлений о природе критических явлений. Во втором параграфе рассматривается поведение теплофизических свойств легкокипящих металлов в околокритической области. Отдельно выделен пункт, посвященный рассмотрению механизма перехода металл диэлектрик. Переходы металл-диэлектрик могут происходить тремя способами. Во-первых, легирование материала может приводить к изменению электронной структуры, создавая или наоборот устраняя запрещенную зону. Кроме того электрон-электронное взаимодействие может привести к появлению запрещенной зоны, так называемой щели Мотта-Хаббарда. Также неоднородность в химическом составе может привести к сильной локализации, запрещающей проводимость. Этот переход, связанный с неупорядоченностью системы, возможен даже без запрещенной зоны.
В третьем параграфе описан метод периодического нагрева и установка, реализующая этот метод. Часть измерений была проведена в закритической области, где металлы перестают быть проводниками. Эти результаты было трудно интерпретировать, поскольку теория метода рассчитана на проводящий образец. Развитие численных методов расчета сложных тепловых процессов дало возможность получить оценку теплофизических параметров в закритической области. В четвертом параграфе второй главы анализируются экспериментальные результаты, полученные в закритической области. Результаты, полученные при закритических температурах и давлениях, качественно отличались от полученных при докритических температурах. На Рис.1 представлены осциллограммы, на которых изображены температурные колебания на поверхности ячейки, полученные при П-образной модуляции мощности электрического тока. На Рис 1а показаны температурные колебания в докритической области, а на Рис.1б – в закритической области.
Рис.1. Осциллограммы температурных колебаний: а) при Т=1960К и Р=119 атм;
б) при Т=2350К и Р=116 атм Основной целью компьютерного моделирования было создание и анализ модели, максимально приближенной по работе к физическому процессу, наблюдаемому в проведенном эксперименте.
Рассматривается несколько идеализированный случай бесконечно протяженного образца цилиндрической формы радиуса R1, окруженного кольцевой цилиндрической оболочкой радиуса R2. Ввиду того, что представлялось интересным смоделировать эксперимент как в докритической, так и в закритической областях, возникла необходимость построения двух соответствующих модификаций модели. Первая модификация создавалась для случая, когда и цезий и молибденовая оболочка являются проводниками и, соответственно, температурные колебания происходят за счет выделения мощности как в одном, так и в другом металле. В этом случае уравнения теплопроводности для цезия и молибдена принимают следующий вид:
2 T w10 w1~ e i,0 r R1 (1) a1 2 T r c1 r r 2 T w20 w2~ ei, R1 r R2 (2) a2 2 T r c2 r r где a - температуропроводность, c - удельная теплоемкость, - плотность, w0 и w~ - постоянная и переменная составляющие мощности, выделяемой в единице объема. Нижний индекс 1 соответствует образцу, а индекс 2 – оболочке.
Граничные условия записываются следующим образом:
T1 0, r T1 R1, T2 R1, T1 R1, T R, 1 2 2 r r R2, Tc T2 R2, r где 1 и 2 - теплопроводности сердцевины и оболочки, соответственно, - коэффициент теплообмена, Tc - температура окружающей среды.
Вторая модификация модели относится уже к случаю, когда цезий не является проводником. В этом случае температурные колебания в нем возникают за счет молибденовой оболочки, нагреваемой электрическим током, и передающей тепло в цезий. Граничные условия и уравнение теплопроводности для оболочки (2) не меняют свой вид при второй модификации модели, а уравнение теплопроводности для цезия (1) принимает следующий вид:
2 T a1 2 T1,0 r R r r r Созданная модель позволяет получать полное температурное распределение в исследуемой ячейке с учетом теплообмена между цезием и молибденом, а также с учетом радиационных теплопотерь с поверхности ячейки и конвекции газа (аргона), окружающего образец.
Мера соответствия моделируемых процессов тем, которые протекали в эксперименте, определялась прежде всего равенством амплитуд температурных колебаний по основному тону, а также максимальной близостью гармонических составляющих температурных откликов, получаемых в модели и в эксперименте. Указанное соответствие было достигнуто.
С помощью итерационной процедуры удалось получить сходящееся решение тепловой задачи, что позволило оценить не только значение теплоемкости, но и температуропроводности цезия в закритической области. Таким образом, получено количественное значение теплоемкости цезия в закритической области (Т=2350 К, Р=116 атм):
cp (8 2) 104 Дж м3 К. Независимая оценка была получена по уравнению состояния цезия в закритической области на основе данных работы [2]:
cp 6 104 Дж м3 К.
Полученное значение температуропроводности цезия при Т = 2350 К и Р=116 атм составило (0.5 0.3) 106 м2 с, что в сорок раз ниже, чем оценка, имеющаяся для цезия в металлической фазе в околокритическом состоянии.
В третьей главе приводится описание нового метода измерения КТР проводящих жидкостей с использованием двойного модуляционного воздействия [3]. Этот метод является результатом развития разработанной ранее методики измерения АТКД в периодическом режиме [4].
Определение АТКД сводится к измерению амплитуды температурных колебаний среды и амплитуды колебаний давления, вызывающего указанный температурный отклик. В отличие от способа измерения АТКД, который предусматривает периодическое изменение давления, способ измерения коэффициента теплового расширения включает в себя двойную модуляцию. Помимо периодического изменения давления, метод включает в себя периодическое изменение электрического тока, пропускаемого через проводящий образец. Управляя фазовым сдвигом между колебаниями давления и колебаниями мощности электрического тока, а также амплитудой колебаний мощности тока, можно добиться компенсации температурных откликов исследуемой среды. При этих условиях коэффициент теплового расширения может быть определен по формуле:
g W p тепл, (3) T V P g аткд где - круговая частота колебаний, W - амплитуда колебаний мощности джоулева нагрева, P - амплитуда колебаний давления, T,V - температура и объем исследуемой жидкости, g тепл, g аткд - поправочные функции, учитывающие нарушение адиабатических условий в измерениях теплоемкости и АТКД соответственно. Как видно, применение модуляционных методов сопряжено с необходимостью соблюдения адиабатических условий. В работе [5] был произведен расчет для поправочной функции g аткд в приближении плоского слоя для образца, радиусом 1 см. Необходимость использования образцов различных диаметров потребовала более точного расчта поправочной функции, так как при работе с ячейками малых размеров приближение плоского слоя становится недостаточным. Для этого было получено аналитическое решение задачи теплопроводности для бесконечно протяженного образца цилиндрической формы радиуса R1, окруженного кольцевой цилиндрической теплоизолирующей оболочкой радиуса R2. В результате проведенных вычислений удалось уточнить формулу для поправочной функции, полученную ранее. На рис.2 показана зависимость поправочной функции g аткд от линейной частоты для измерительных ячеек, имеющих радиус 1 см и 0.3 см. Линии 1, 2 и 3,4 относятся к расчету для образца радиусом 0.3 см и 1 см соответственно. При этом линии 1 и 3 отвечают более точному расчету, приведенному в данной работе, а линии 2 и 4 – расчету, выполненному в приближении плоского слоя.
Рис.2. Зависимость поправочной функции от линейной частоты для различных радиусов ячейки при комнатной температуре Видно, что форма зависимости меняется незначительно для измерительных ячеек сравнительно больших размеров, и уточнение актуально в области частот 0.2 – 5 Гц. При использовании образца небольшого радиуса уточнение достаточно заметно до частоты 20 Гц.
Следующим этапом было нахождение численного решения уравнения теплопроводности для образца конечных размеров. В этом случае система описывается двумерными линейными уравнениями теплопроводности:
t r, y, 2 1 w 2 t1 r, y, 1 (4) a1 r r r y c p1 t r, y, 2 1 2 t 2 r, y, (5) a2 r r r y Уравнения (4) и (5) решались при следующих граничных условиях:
t1 R1, y, t 2 R1, y, t1 R1, y, t R, y, 1 2 2 r r t1 (r,0, ) const, t1 (r, L, ) const Результаты для g аткд в центре исследуемого конечного образца полностью совпадают с результатами, полученными численно для цилиндра, имеющего бесконечный линейный размер.
Аналогичным образом решается задача о нарушении адиабатических условий в измерениях теплоемкости методом периодического нагрева. В этом случае температурные колебания в образце происходят за счет колебаний мощности электрического тока, пропускаемого через образец.
Полученное аналитически выражение для g тепл практически совпадает с формулой для g аткд. С учетом этого уравнение (3) можно записать в виде W p (6) T V P Вследствие близости g тепл и g аткд нарушение адиабатических условий в измерении коэффициента теплового расширения компенсационным методом ожидается меньше, чем для измерения теплоемкости и АТКД.
В четвертой главе сообщается о первом опыте применения двойной модуляции в измерении коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей. Ранее испытания компенсационного метода с использованием двойной модуляции производилось с применением комбинированного образца, при этом в качестве исследуемой жидкости использовался диэлектрик. В настоящей работе в качестве образца использовалась калий натриевая смесь эвтектического состава (32Na-68K моль. %). Это позволило выполнять наладочные работы при комнатной температуре, поскольку температура плавления указанной смеси -3,5С. Установка для измерения КТР включала в себя генератор периодической составляющей давления, схему формирования периодической составляющей переменного электрического тока, измерительную ячейку и измерительный комплекс.
Синхронная работа схемы формирования переменного электрического тока и генератора переменной составляющей давления осуществлялась с помощью устройства, включающего в себя секторный диск, установленный на оси генератора давления. Секторный диск при вращении прерывал световой поток между светодиодом и фотодиодом, формируя тем самым последовательность тактовых импульсов, поступающих на измерительную плату. Снабженная процессором управляющая плата позволяла формировать периодические сигналы как синусоидальной, так и произвольной формы. Измерительная ячейка, изготовленная из корундовой трубки, заглушалась с торцов наконечниками из нержавеющей стали. Внутрь ячейки через нижний наконечник введен хромель-копелевый термопреобразователь, заключенный в чехол из нержавеющей стали и изолированный от него алундовой пастой. Передача давления от гидравлического генератора к жидкометаллическому образцу, заполняющему ячейку, производилось с помощью капилляра, приваренного к верхнему наконечнику, при этом благодаря сильфону была создана возможность разделения рабочей жидкости генератора и жидкого металла.
Несмотря на малый размер чехла термопреобразователя (0.05 см) оставалось неясным, как сильно изменяется форма температурной волны в этой оболочке. Поэтому необходимо было определить, насколько меняется амплитуда температурных колебаний и, при необходимости, ввести поправки. Решение тепловой задачи для оболочки термопреобразователя показало, что на частоте 2,23 Гц затухание амплитуды очень незначительное (0.3%), а на частоте 4Гц поправка становится существеннее – 0.9%. При использовании более высоких частот необходимо вносить значительную поправку, учитывающую затухание температурной волны в оболочке термодатчика.
Согласно формуле (6) определение КТР сводится к измерению амплитуды колебаний давления и амплитуды колебаний мощности электрического тока, протекающего через образец. Одна из проблем, возникших при практическом осуществлении метода, связана с тем, что используемый генератор переменной составляющей давления не позволял обеспечить чисто гармоническую форму колебаний давления в системе.
Соответственно температурный отклик среды помимо основного тона содержит гармоники. Поэтому регистрация температурных колебаний производилась двумя способами. Первый способ, названный суррогатной компенсацией, состоял в том, что сначала строилась зависимость амплитуды температурных колебаний от амплитуды колебаний давления, затем строилась аналогичная зависимость от амплитуды колебаний электрического тока. В формулу (6) подставлялись такие значения амплитуд колебаний давления и мощности, которым отвечали одинаковые значения амплитуд температурных колебаний. Достоинством суррогатной компенсации является то, что при таком способе измерения оперируют только гармоническими сигналами. Недостатком является то, что процедура сравнения температурных откликов осуществляется в виде двух последовательных во времени, а не одновременных операций. Поэтому следующий этап в освоении метода был направлен на реализацию нормальной компенсации, при которой два модуляционных воздействия на образец осуществляются одновременно. Для этого была создана такая форма модуляции мощности электрического тока, которая обеспечивала температурный отклик, совпадающий по форме с тем, который вызван колебаниями давления, но противоположен по знаку. Для определения КТР измерялись амплитуды колебаний давления и мощности электрического тока на основном тоне, т.е. на частоте 2.3 Гц. Спектры всех сигналов определялись методом фурье-анализа в программной среде LabVIEW. Анализ температурного отклика показал, что компенсация по первой гармонике составляет в среднем 80%. Также надо отметить, что гармонический анализ сигналов производился после измерений, т.е. после достижения компенсации температурных откликов сложной формы, которые по спектральному составу были близки, но в точности не совпадали. Измерение КТР первым способом осуществлялось с погрешностью 11%, вторым способом – 7%. Как один из резервов увеличения точности измерений КТР рассматривается переход на автоматическую компенсацию температурных откликов, которую допускает среда программирования LabVIEW. Модельные эксперименты показали возможность автоматического формирования сигнала, совпадающего с заданным.
В пятой главе описан новый вариант определения КТР. Основой для него послужили дополнительные возможности, имеющиеся в программной среде LabVIEW. В этой среде была создана программа, позволяющая осуществлять гармонический анализ сигналов непосредственно в процессе измерения. Регистрируемые сигналы (колебания давления, мощности тока и температуры образца) оцифровывались с помощью 4-канального высокоскоростного АЦП марки NI USB-9215. С помощью специального модуля, использующего блок Real FFT, производились Фурье преобразования сигналов в режиме реального времени, что позволило проводить компенсацию только по первой гармонике. Кроме того, благодаря возможностям LabVIEW, расчет КТР по первым гармоникам сигналов непосредственно в процессе измерений позволил существенно увеличить точность получаемых в реальном времени данных. При помощи описанной программы удалось достичь компенсации температурного отклика 96%. В качестве образца для испытания улучшенного варианта методики был выбран цезий. На данном этапе работы не ставилась задача получения абсолютных значений КТР и существенного расширения температурного диапазона измерений. Результаты измерений КТР цезия в относительных единицах представлены на рис. 3. Рисунок изображает несколько серий измерений в температурном диапазоне от комнатных до 200С (кружки), а также результаты по КТР, полученные из справочных данных по плотности [6] (квадраты), [7] (треугольники). Стандартное отклонение экспериментальных точек от среднего значения, составляющего 0.99, равно 5.3%.
Рис. 3. Температурная зависимость КТР цезия Описанная выше установка позволяет определять в относительных величинах АТКД и теплоемкости раздельно. На Рис. 4, 5 представлены полученные температурные зависимости и c p для того же образца жидкого цезия, для которого получена температурная зависимость КТР.
Слабая температурная зависимость КТР является результатом компенсации сильно выраженных температурных зависимостей АТКД и теплоемкости, имеющих противоположные знаки угла наклона.
Рис.4. Температурная зависимость АТКД Рис.5. Температурная зависимость цезия теплоемкости цезия Как было сказано, одной из трудностей на пути достижения высокой точности измерений КТР является наличие значительного числа гармонических составляющих в форме колебаний давления, создаваемой генератором периодической составляющей давления. Поэтому с целью дальнейшего увеличения точности была разработана и опробована новая оригинальная конструкция генератора периодической составляющей давления с малым содержанием гармоник. Генератор новой конструкции обеспечивает возможность создания колебаний давления почти синусоидальной формы. Амплитуда второй гармоники составляет 5-7% от основного тона. Это выгодно отличает новую конструкцию от прежней, поскольку колебания давления в прежнем генераторе были богаты гармониками. Амплитуда второй гармоники составляла 60% от основного тона, третья гармоника – 30% от первой. Замена генератора периодической составляющей давления потребовала создания практически новой установки. На первом этапе испытания установки удобно было провести измерения АТКД, взяв в качестве образца дистиллированную воду по двум причинам. Во-первых, в области температур от комнатной и выше КТР воды изменяется довольно сильно. Во-вторых, измерения АТКД определяют КТР, если учесть, что теплоемкость воды при этих температурах практически не изменяется. Поэтому результаты можно сравнить с надежными литературными данными. Выполнены измерения АТКД дистиллированной воды в температурном интервале от 290К до 350К. Эти результаты были сопоставлены с КТР воды, полученными из табличных данных по температурной зависимости плотности [8].
Сравнение данных, нормированных к значению КТР при температуре 320К, показало, что результаты согласуются в пределах 2.5%, то есть в пределах экспериментальной погрешности.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ С помощью численного моделирования, основные параметры 1.
которого согласованы с данными эксперимента, выполненного методом периодического нагрева, впервые определены значения температуропроводности и теплоемкости цезия в закритической области.
На основе найденного точного аналитического (проверенного 2.
численным) решения тепловой задачи создана возможность получения более достоверных данных в измерениях АТКД и теплоемкости жидких металлов.
В плане разработки метода измерения КТР жидких металлов с 3.
применением двойной модуляции создана методика раздельной регистрации температурных откликов на колебания давления и мощности эл. тока с выделением основной гармонической составляющей у всех сигналов (суррогатная компенсация). С помощью этой методики впервые осуществлены прямые измерения КТР K-Na смеси эвтектического состава. Это дало подтверждение того, что разрабатываемый метод может быть использован как абсолютный.
Разработана методика синтеза формы модуляционного воздействия 4.
электрического тока, которая обеспечила температурный отклик, максимально приближающийся по форме к температурному отклику, вызываемому модуляцией давления (нормальная компенсация). Достигнута степень компенсации 90%. Погрешность измерений составила 7%.
Создана программа, позволяющая автоматически создавать сигнал, 5.
совпадающий с заданным сигналом произвольной формы. Эта программа является основой для обеспечения такой формы колебаний мощности эл. тока, при которой температурный отклик термодатчика будет полностью повторять температурный отклик на колебания давления, что позволит осуществлять автоматическую компенсацию температурных откликов и поднять точность измерений.
В целях повышения точности в среде LabVIEW создана программа, 6.
позволяющая в реальном времени выполнять Фурье-анализ всех сигналов. Это позволило осуществлять компенсацию только по первой гармонике температурного отклика непосредственно в процессе эксперимента (нормальная компенсация). С помощью этой методики проведены прямые измерения КТР цезия в температурном диапазоне 320-480 К с погрешностью 5%. Полученная слабая температурная зависимость КТР цезия является подтверждением достоверности получаемых результатов. Установлено, что метод демонстрирует высокую чувствительность к примесям.
Введение в установку нового генератора периодической 7.
составляющей давления с близкой к синусоидальной формой колебаний позволило уменьшить экспериментальную погрешность измерения АТКД до 2.5%, что дает возможность рассчитывать в перспективе на увеличение точности измерений КТР.
Цитируемая литература 1. Благонравов Л.А. Изобарная теплоемкость легкокипящих металлов в области высоких температур и давлений // Теплофизика высоких температур. 1993. Т. 31. № 3. С.476-497.
2. F. Hensel, S. Jungst, B. Knuth, H. Uchtmann, M. Yao Dielectric and pVT properties of metals in the critical region //Physica. 1986. 139 & 140B. P.
3. Благонравов Л.А. О возможности измерения коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей компенсационным методом с использованием упроготермического эффекта // Письма в ЖТФ. 1995.Т. 21. С. 51-54.
4. Благонравов Л.А., Модхен Ф. Измерение адиабатического термического коэффициента давления в периодическом режиме //Приборы и техника эксперимента. 1991. №4. С. 5. Благонравов Л.А., Орлов Л.А., Сковородько С.Н., Алексеев В.А. Новые уточненные данные об адиабатическом термическом коэффициенте давления в области аномального поведения теплофизических свойств. Теплофизика высоких температур. 2000. Том 38. №4. С. 6. Кириллов П.Л., Денискина Н.Б. Теплофизические свойства жидкометаллических теплоносителей (справочные таблицы и соотношения). М.: ЦНИИатоминформ. 2000. С. 42.
7. Шпильрайн Э.Э., Якимович К.А., Тоцкий Е.Е., Тиморт Д.Л., Фомин В.А. Теплофизические свойства щелочных металлов. Госстандарт.
Москва. 1970.
8. W.Wagner & A.Pruss J.Phys. Chem. Ref. Data. 2002. Vol 31. №2. Р.486.
Список работ, опубликованных по теме диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Blagonravov L.A., Karchevskiy O.O., Ivannikov P.V., Soboleva A.V.
Application of double modulation for the thermal expansion coefficient measurement of liquid metals // Journal of Physics: Conf. Ser. 2008.
Vol.98. 2. Благонравов Л.А., Карчевский О.О., Иванников П.В., Соболева А.В.
Опыт применения двойной модуляции в измерении коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей //Вестник Московского университета. Серия 3. Физика. Астрономия. 2008. №1.
C.50- 3. Соболева А.В., Благонравов Л.А. Учет нарушений адиабатических условий в измерениях адиабатического термического коэффициента давления проводящих жидкостей. // Вестник МГУ. Серия 3. Физика.
Астрономия. 2009. № 3. С. 62-65.
4. Карчевский О.О., Соболева А.В., Благонравов Л.А., Васильев Д.А.
Измерение коэффициента теплового расширения жидких металлов методом двойной модуляции с усовершенствованной системой компенсации температурного отклика // ТВТ. 2011. Том 49. №2. C.
314-316.
5. Благонравов Л.А., Соболева А.В., Богданов Н.И. Определение теплофизических параметров цезия в закритической области // ТВТ.
2012. Том 50. №1. С. 56-59.
В других изданиях 1. Соболева А.В., Карчевский О.О. Использование двойной модуляции в измерении коэффициента теплового расширения проводящих жидкостей //Сборник тезисов конференции «Ломоносов-2006», секция «Физика». 2006. Том 1. C. 158- 2. Blagonravov L.A., Karchevskiy O.O., Ivannikov P.V., Soboleva A.V.
Application of double modulation for the thermal expansion coefficient measurement of liquid metals.// 13 International conference on liquid and amorphous metals. (Ekaterinburg, 2007). Book of abstracts.
LAM13-DP 3. Васильев Д.А., Соболева А.В. Измерение коэффициента теплового расширения жидкого цезия компенсационным методом с применением двойной модуляции //Сборник тезисов конференции «Ломоносов 2010», секция «Физика». 2010.Том 1. C. 244- 4. Карчевский О.О., Соболева А.В., Благонравов Л.А., Васильев Д.А.
Измерение коэффициента теплового расширения методом двойной модуляции с компенсацией температурного отклика» //Тезисы докладов международной конференции «Современные методы и средства исследования теплофизических свойств веществ». Санкт Петербург. 2010. C. 5. Карчевский О.О., Благонравов Л.А., Соболева А.В., Васильев Д.А.
Модуляционный метод измерения коэффициента теплового расширения жидкостей. Российская конференция по XIII теплофизическим свойствам веществ (с международным участием). Новосибирск. 2011. C. 277- 6. Благонравов Л.А., Соболева А.В., Богданов Н.И. Определение теплофизических параметров цезия в закритической области. XIII Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ (с международным участием). Новосибирск. 2011. C.17- 7. Благонравов Л.А., Соболева А.В. Определение теплофизических параметров цезия в закритической области // Тезисы докладов научной конференции Ломоносовские чтения. Секция физики.
Москва. 2011. С. 233-