Диссертация (Теплофизические свойства органических жидкостей), страница 12

Стоит сказать, что вприведённых работах был использован вариант, нестационарного методанагретой нити для – измерения теплопроводности. Можно отметить, что этотметод основан на применении уравнения теплопроводности и позволяетопределить такие теплофизические характеристики, как: теплопроводность,температуропроводность, тепловую активность, а так же объёмную теплоёмкость.При сравнении результатов работы [71] и результатов в представленной работынаблюдается их высокая согласованность.82Свои исследования мы поводили на экспериментальном стенде, гдеизучались органические жидкости, описанные в предыдущих разделах.

Методикаосталось прежней, но точность исследования выше, чем в работах, так как вместонагретойнити,обладающеймалымсопротивлением,мыиспользоваливысокоомные напыленные и меандровые датчики.Свои исследования мы начали с чистых веществ, результаты некоторых изних представлены на рисунках 28, точками отображены экспериментальныеданные, линия – это апраксимационная зависимость, полученная методомнаименьших квадратов. Полный спектр исследований отражен в приложении 4.1 - Перфтор-3-изопропил-2-метилпентан3 - Перфтор-1,3-диметил-циклогексан4 - Перфторметилциклогелсан5 - ПерфторгексанРисунок 28.

Теплопроводность фторуглеродовКакможновидетьсувеличениемтемпературыкоэффициенттеплопроводности всех исследуемых жидкостей уменьшается, что полностью83согласуется с теорией передачи тепловой энергии за счет теплопроводности. Также можно видеть, что коэффициент теплопроводности как функция температурыизменяется с небольшим отклонением от линейности, что можно было-бы списатьна экспериментальную и методическую погрешность.

Для ответа на этот вопросмы провели исследования, целью которых было изучение тепловой активностикак функции температуры. Тепловая активность отражает не только переностепловой энергии за счет градиента температуры, но и зависит от плотности итеплоемкости вещества, в которых он реализуется. Результаты исследованияприведены на рисунке 29.1 - Перфтор-3-изопропил-2-метилпентан2 - Перфтордекалин3 - Перфтор-1,3-диметил-циклогексан4 - Перфторметилциклогелсан5 - ПерфторгексанРисунок 29. Тепловая активность фторуглеродовКак можно заметить, рисунок 29, для Перфтор-1,3-диметил-циклогексан,линия 3, отклонения от линейности тепловой активности аналогичные что и для84теплопроводности с точки зрения численных значений. Характер нелинейностиизменился, кривая на рисунке 28 из вогнутой стала выпуклой, рисунок 29. Ещебольшие изменения наблюдаются с Перфторгексаном.

Тепловая активностьявляется нелинейной функцией температуры. Аналогичные изменения вхарактерезависимоститеплофизическиххарактеристикоттемпературынаблюдаются и у других фторуглеродных жидкостях. Возможно, ответ на вопроспочемукоэффициентытеплопереносаявляютсянелинейнойфункциейтемпературы можно получить изучая смеси этих жидкостей.На рисунках 30 и 31 приведены результаты по изучению теплофизическихсвойств растворов фторуглеродов при различной объёмной концентрации смесипри t = 20 ˚С.1 - Перфтор-3-изопропил-2-метилпентан + 1,1,5-тригидроперфторпентанол2 - Перфтортрибутиламилин + α дегидроперфторамиловый спирт3 - Перфтордекалин + Перфтор-2,5,8,11,14,17,20,23,24,26,32,35додекаоксагексатрианоктан4 - Перфторгексан + 2-фтор,2-пентафторитил-3, 3-бистрифторметилгидрофуранРисунок 30. Тепловая активность бинарной смеси фторуглеродовКак можно видеть, рисунок 30, тепловая активность линейно уменьшаетсяпри изменении концентрации компонентов в смеси.

Темп изменения для каждого85раствора свой, что хорошо согласуется с теорией равнозначного вклада веществав общий процесс теплопередачи. Для подтверждения этого предположения мыизучили зависимость коэффициента теплопроводности фторуглеродных смесей отконцентрации, результаты исследований приведены на рисунке 31.1 - Перфтор-3-изопропил-2-метилпентан + 1,1,5-тригидроперфторпентанол2 - Перфтортрибутиламилин + α дегидроперфторамиловый спирт4 - Перфторгексан + 2-фтор,2-пентафторитил-3, 3-бистрифторметилгидрофуранРисунок 31. Теплопроводность бинарной смеси фторуглеродовМы видим, рисунок 31, что теплопроводность нелинейно уменьшается сизменением концентрации одного из компонентов.

Такая зависимость несоответствует аддитивной теории теплопереноса. В этом случае, изучаязависимостьтепловойактивности,рисунок30,икоэффициентатеплопроводности, рисунок 31, мы можем предположить, что теплоперенос висследуемых жидкостях зависит не только от градиента температуры, но иобусловлен влиянием плотности и теплоемкости на процесс, причем взаимнопротивоположно.86Таким образом, теплоперенос во фторуглеродных жидкостях нельзяоднозначно описать только коэффициентом теплопроводности, необходим учетзависимости других теплофизических характеристик от температуры, вида иконцентрации смесей.3.5.

Прогнозирование теплофизических свойств растворовПрогнозирование теплофизических свойств различных жидких растворов,является важной и неотъемлемой частью, при проведении научного эксперимента.Даннаяработа,вчастности,былапосвященаизучениюосновныхзакономерностей, концентрационной и температурной зависимостям жидкихрастворов разной природы.

Так в число жидкостей, которые были исследованы,входили: растворы органических жидкостей, а также водные растворыорганических жидкостей.Необходимо остановиться на одном достаточно важном моменте, преждечем переходить к обсуждению результатов полученных в данной работе, аименно: в каких величинах следует выражать концентрацию жидких растворов?Вопрос этот, имеет очень большое значение, так как от выбора концентрационнойпеременной существенным образом зависит и сам характер концентрационнойзависимости. Поскольку, при переходе от весовых концентраций, к молярным вряде случаев меняется знак кривизны; вместо вогнутых кривых могут получитьсякривые выпуклые [66].При этом в большинстве исследований физико – химического характера вкачестве концентрационных переменных используются молярные доли, однакоприменительно к теплопроводности жидких растворов преимущества молярныхконцентраций не очевидны. Если исходить из того, что процесс переноса тепла вжидких растворах является эффектом коллективного движения частиц, то дляэтого процесса будут более корректны, скорее всего, объёмные концентрации, ане молярные.

Но ииспользование объёмных концентраций не полностьюотвечает поставленной задаче, вследствие неопределённости вопроса обизменении средней длины свободного пробега в жидких растворах.87Поэтому, исходя из данного обстоятельства, принято считать, что вопрос овыборе концентрационных переменных должен решаться не путём априорныхрассуждений, когда они не могут привести к построению более или менееадекватной теории теплопроводности жидких растворов, а путём изученияхарактераэкспериментальныхзависимостейсточкизрениявыявлениязакономерностей более общего характера. С этой точки зрения предпочтениедолжно быть отдано весовым концентрациям [67].Визученныхрастворахорганическихжидкостейимеютместоотрицательные отклонения от аддитивности в переменных λ(n).

Не маловажнымсвойствомприэтомявляетсясимметрияотклоненияотаддитивностиотносительно концентрации: n=0,5, которая наблюдается также для растворов, укоторыхотсутствуетхимизмвзаимодействиямолекул.Конкретныйвидконцентрационной зависимости теплопроводности жидких растворов во всехслучаях можно представить формулой:  1n1  2 n2 – Rn1n2 n2 1 – n1  .(3.13)Этой формулой можно выразить основную закономерность поведениятеплопроводности жидких растворов. Наряду с ней имеется, однако, так же идругая важная закономерность, а именно величина коэффициента R, которыйхарактеризует собой отклонения от аддитивности, и находится в прямой связи сразностью теплопроводностей компонент. Для компонентов, теплопроводностикоторых близки, R – будет близко к нулю, адля больших разностейтеплопроводности, R – также оказывается большим.

На графике, (рисунок 32)проиллюстрированаэтазакономерностьдляисследуемыхраствороворганических жидкостей.График показывает, что экспериментальные точки, каждая из которыххарактеризует определённый раствор, группируются вокруг прямой:R  0,72 1 – 2 .(3.14)88Рисунок 32. Зависимость коэффициента R в формуле (3.13) от разноститеплопроводностей компонент раствораТаким образом, в целом,теплопроводность растворов органическихжидкостей может быть вычислена по формуле,  1n1  2 1 – n1  – 0,72 1 – 2 ·n1 1 – n1 .(3.15)которая, требует лишь знания теплопроводности компонентов жидкого раствора,при этом отличие расчётных значений от результатов измерений в большинствеслучаев находится в пределах 1–2%, а максимальное отклонение составляет неболее 3%.

Поэтому для практических расчётов использование формулы (3.15),было рекомендовано в целом ряде работ [19, 67, 71]. Теплопроводностьполучаемую по формуле (3.13) ещё называют эффективной теплопроводностью.Исследованиетеплопроводностиводныхраствороворганическихжидкостей, которое было проведено в данной работе, ставило задачи: поизучению особенностей концентрационной зависимости теплопроводности такогоклассаобъектов,какводныерастворы,такжетребовалосьвыявитьзакономерности температурной зависимости теплопроводности органических89растворов. Следует отметить, что основная формула (3.13) выполняется визученных случаях.

Концентрационная зависимость теплопроводности водныхрастворов достаточно точно передаётся параболической зависимостью, гдекоэффициент R – оказывается функцией температуры, однако его отношение кразности теплопроводности компонентов от температуры практически не зависит.Данный факт независимости отношения  эквивалентенсуществованиюследующихRот температуры| 1 – 2 |формул,которыеописываюттемпературную зависимость теплопроводности:d    1   0,dT   2  1 d    1   0,dt   2   (3.16)илиddd1  2     2  1    1  2 .dTdTdTТакжеполученныеэкспериментальныерезультаты,(3.17)далиоснованиеиспользовать при расчётах эффективной теплопроводности формулу:  1n1  2 n2 –  1 – 2 n1n2 .(3.18)с коэффициентом α, который был получен в результате усреднения его значенийдля всех температур.