Изучение термодинамических свойств жидких щелочных металлов модуляционными методами

На правах рукописиСоболева Анна ВладимировнаИЗУЧЕНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЖИДКИХЩЕЛОЧНЫХ МЕТАЛЛОВ МОДУЛЯЦИОННЫМИ МЕТОДАМИСпециальность 01.04.17 – химическая физика, горение и взрыв,физика экстремального состояния веществаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20132Работа выполнена на кафедре молекулярной физики физическогофакультета Московского государственного университетаимени М.В. ЛомоносоваНаучный руководителькандидат физико-математических наук,доцентБлагонравов Лев АлександровичОфициальные оппонентыдоктор физико-математических наук,Алексеев Павел Александровичдоктор технических наук,Арнольдов Михаил НиколаевичВедущая организацияОбъединенныйинституттемператур РАН (ОИВТ РАН)высокихЗащита состоится «13» февраля 2013 года в ___час.

__мин. на заседаниидиссертационного совета Д 501.002.01 в Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,ГСП-1,Ленинскиегоры,ЦентрколлективногопользованияМГУ,конференц-зал.С диссертацией можно ознакомиться в Отделе диссертаций Научнойбиблиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27)Автореферат разослан «___»_____2013 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.002.01в Московском государственном университетекандидат физико-математических наукТ.В. Лаптинская3Общая характеристика работыАктуальностьтемы.Экспериментальныеитеоретическиеисследования жидкого состояния являются одной из важнейших задачсовременной физики.

Исследование структурных изменений в жидкихщелочных металлах, их свойств и структуры являются важным дляразвития физики жидкого состояния, поскольку жидкие щелочныеметаллыотносятсясимметричныхкклассусферическихпростыхчастиц,жидкостей,междусостоящихкоторымииздействуютненаправленные и ненасыщенные силы связи.

Кроме того, жидкиещелочные металлы в силу присущих им свойств являются материалами,которые находят применение в энергетике (в качестве теплоносителей ватомных электростанциях).С начала 60-х годов стали появлятьсяпубликации, авторы которых указывали на необычный характер поведениянекоторых чистых жидких металлов. На температурных зависимостяхплотности и вязкости наблюдались скачки и перегибы. Известно, чтофазовые переходы в жидкостях не такое распространенное явление, как втвердых телах. Поэтому нарушение плавного характера изменениямакроскопическихсвойствстемпературой,обнаруживаемыеводнокомпонентных металлических расплавах, вызывает неоднозначныйотклик специалистов.

В связи с этим вопрос о возможности структурныхпереходов в жидких металлах остается дискуссионным и, хотя аналогполиморфных превращений должен существовать в жидком состоянии,исчерпывающийответбудетполученпутемусовершенствованияэксперимента и, естественно, дальнейшего развития теории жидкогосостояния.Цели диссертационной работы1. Определение теплофизических параметров цезия по данным ранеепроведенногоэкспериментазакритической области.поизмерениютеплоемкостив42. Внесение усовершенствований, направленных на увеличение точностии достоверности получаемых данных, в установку для измерениякоэффициента теплового расширения проводящих жидкостей, накоторой реализован компенсационный метод с применением двойноймодуляции.3.

Анализнарушенияадиабатическихусловийприизмеренияхадиабатического термического коэффициента давления, теплоемкостии коэффициента теплового расширения (АТКД).Научная новизна результатов1. Впервыеопределенызначениятемпературопроводностиитеплоемкости цезия в не исследованной ранее закритической области.2. Усовершенствован способ обработки экспериментальных данных,получаемых на установке, реализующей новый компенсационныйметод измерения КТР проводящих жидкостей. Создана оригинальнаяпрограмма в среде LabVIEW, которая позволяет осуществлять фурьеанализрегистрируемыхсигналовнепосредственновпроцессепроведения эксперимента, что существенно увеличивает точностьизмерений и поднимает надежность определения КТР.Основные положения, выносимые на защиту:1.Математическая модель теплового процесса, имеющего место впроводящих и непроводящих жидких образцах при периодическомнагреве.Формулировкакритериясоответствиямоделируемыхпроцессов тем, которые протекают в реальном эксперименте.Результаты, полученные для теплоемкости и температуропроводностицезия в закритической области.2.

Аналитическое выражение для поправочной функции, учитывающеенарушениеадиабатическихусловийвизмеренияхАТКДитеплоемкости жидкостей.3. Результаты апробации установки, реализующей компенсационныйметод измерения КТР, полученные на жидком цезии в температурном5интервале 35-200ºС. Программное обеспечение обработки сигналов,позволяющее осуществлять фурье-анализ непосредственно в процессеизмерений, что обеспечивает повышенную точность измерений.Практическая значимость.Закритическая область в настоящее время привлекает большоевнимание исследователей, так как вещество в этом состоянии обладаетособыми свойствами. Отмечается необычайно высокая растворимость взакритической области, что используется для получения особо чистыхматериалов.

Интересен и факт потери проводимости в сверхкритическомфлюиде при непрерывном уменьшении плотности, т.е. в условияхотсутствия скачка плотности.Разработка высокочувствительного метода измерения коэффициентатеплового расширения (КТР) жидких металлов дает возможность изучатьсвойства веществ вблизи границ фазовой устойчивости. Метод можетнайти применение в изучении аномального поведения КТР вблизикритической точки расслаивания двойных жидких смесей.Апробацияработы.Результатыработыдокладывалисьнаследующих конференциях:- на Международной конференции студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2006». Секция«Физика».

Физический факультет МГУ . 2006.- на 13-ой Международной конференции по жидким и аморфным металлам(LAM 13) Екатеринбург. 2007- на Международной конференции студентов, аспирантов и молодыхученых по фундаментальным наукам «Ломоносов -2010». Секция«Физика». Физический факультет МГУ . 2010- на Международной конференции «Современные методы и средстваисследования теплофизических свойств веществ». Санкт-Петербург. 2010.- на 13-й Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ(РКТС-13). Новосибирск. 2011 г.6- на научной конференции «Ломоносовские чтения». Секция физики.Москва.

2011.Публикации. По материалам диссертации опубликованы пять статейв научных журналах и тезисы шести докладов.Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пятиглав, 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 поисследованию температурных зависимостей термодинамических свойствжидкихметаллов.зависимостях,вНаличиечастности,аномалийскачокнаэтихадиабатическоготемпературныхтермическогокоэффициента давления (АТКД) в цезии при температуре около 600К,указывает на возможность структурного превращения в жидких металлах.Показано, что основной вклад в аномальное поведение АТКД вноситкоэффициент теплового расширения.

Делается вывод о необходимостиболее детального изучения коэффициента теплового расширения (КТР)новымкомпенсационнымметодомсприменениемдвойногомодуляционного воздействия.Описаны методы изучения термодинамических свойств материалов.Модуляционные методы основаны на том, что в исследуемый образецвводитсяэнергия,приэтоммощностьимеетпериодическуюсоставляющую, которая вызывает в образце температурные колебания.Измеряя амплитуду этих температурных колебаний, можно определитьтеплоемкость образца.

В этом и заключается сущность модуляционнойкалориметрии. В 1960 г. модуляционные методы стали применяться и в7дилатометрии, т.е. в изучении теплового расширения. Первые измеренияпроводились на проволочных образцах, которые нагревались переменнымэлектрическим током, при этом регистрировалась амплитуда колебанийдлины образца.Приведенные выше методы измерения подходят преимущественнодля твердых образцов. Для изучения диэлектрических жидкостейиспользовались методы на основе регистрации тепловых потоков. Этиметоды основаны на косвенном определении коэффициентов тепловогорасширения и изотермической сжимаемости исследуемой жидкости позначениям теплового потока Q, который исходит от ячейки и действует натермоэлектричесие батареи, и изменению температуры исследуемойжидкости при различных изменениях давления.Впервые попытка непосредственного исследования коэффициентатепловогорасширениярасплавленныхметалловпривысокихтемпературах была предпринята на кафедре теплофизики МИФИ.

Дляэтогобылразработаноригинальныйметоддифференциальногогидростатического взвешивания. Этот метод основан на одновременномвзвешиваниидвуходинаковыхпообъемуимассепоплавков,подвешенных к весам на тонких нитях и погруженных в отдельныестаканы с исследуемой жидкостью. Весы выводят из положенияравновесия путем добавление на одну чашу весов груза массой ∆m.Равновесие весов восстанавливают путем создания разности температур встаканах с исследуемой жидкостью. При достижении равновесия поразности температур вычисляется температурный коэффициент объемногорасширения, усредненный в интервале температур от Т0 до Т1 + Т2/2, где Т0–температураопорнойточки,вкоторойизмеряетсяплотностьисследуемой жидкости. Т1 и Т2 – температуры исследуемой жидкости вразных стаканах. Поскольку данный метод ориентирован на получениеусредненного КТР, то это обстоятельство снижает возможность егоэффективного использования при изучении аномалий термодинамических8параметров жидкостей, проявляющихся в довольно узком температурноминтервале.Вторая глава посвящена изучению теплофизических параметровцезиявзакритическойобластинаосновепроведенныхранееэкспериментов по изучению теплоемкости методом периодическогонагрева [1].В первом параграфе представлен краткий литературный обзорсуществующих представлений о природе критических явлений.