Плотность гелия при разных температурах. База данных по теплофизическим свойствам газов и их смесей, используемых в яэу

Гелий является одним из инертных газов. Это одноатомный газ, не взаимодействующий с металлами. Гелий не является токсичным. В нормальных условиях кипение гелия невозможно, переход в твердую фазу также невозможен. Именно этим объясняется интерес к гелию как одному из возможных теплоносителей для высокотемпературных газовых реакторов. Природный гелий почти полностью состоит из 4He (99,999863±6·10 -6 %). Примесь 3Не весьма незначительна. Ниже описаны теплофизические характеристики гелия в диапазоне температур от 300 до 2500 K и при давлении от 0,1 дo 6 MПa. При этом систематизировались и анализировались данные из работ .

Определение плотности, которое научно называют объемной массой, представляет собой количество вещества по массе на единицу объема. Под понятием понимается количество определенного вещества в фиксированном измерении, которое может быть измерено в различных единицах.

Плотность вещества изменяется в зависимости от температуры и давления. Твердые и жидкие вещества обычно не изменяются настолько сильно в зависимости от этих факторов, что изменение плотности в зависимости от температуры или давления может быть существенно различным для газов, так как увеличение давления на объект уменьшает его объем, увеличивая его плотность. также верно, что увеличение температуры вещества обычно уменьшает его плотность за счет увеличения ее объема.

Приведенная погрешность соответствует 95% квантилю нормального распределения.

В диапазоне температур 300 ÷ 2500 К и давлений 0,1 ÷ 6,0 МПа (в состояниях, далеких от критического, при ρ/ρ cr 60) гелий находится в состоянии разреженного газа. В этой области термодинамические свойства гелия описываются в первом приближении уравнением состояния идеального газа pv = RT. Отличие состояния гелия от состояния идеального газа должно быть учтено за счет вириальных коэффициентов. В частности, при вычислении объема и коэффициента вязкости ν(Т) следует вводить поправку в виде второго вириального коэффициента, моделирующего парные взаимодействия атомов. Вычисление плотности требует учета эффектов второго порядка малости (тройные столкновения).

Известно, что нефть и вода не смешиваются, но многие люди могут не знать, что плотность масла - это то, что заставляет ее плавать поверх воды. На кухне масло и уксус не смешиваются, и вы, возможно, видели бутылку салатной заправки со слизистым слоем сверху. Масло менее густое, чем уксус, но очень серьезный, мировое применение более легкой плотности нефти, чем вода, находится в океане в случае разлива нефти. Мы не полностью усовершенствовали технологию, но ученые уже разработали системы очистки, которые очищают или смазывают этот верхний слой масла с поверхности океана в случае разлива нефти.

Обобщение теплофизических характеристик газообразного гелия проводилось двумя способами. При высоких температурах использовался в соответствии с работой полуэмпирический метод подобия свойств в рамках парных взаимодействий одновременно для всех пяти инертных газов. В другом случае, как описано в работе обобщение разнородных свойств гелия проведено на основе параметрического потенциала взаимодействия U(ρ). При совместной обработке учитывались экспериментальные данные о дифференциальном и интегральном сечениях рассеянных атомных пучков He - He, а также теплофизические данные, при высоких температурах о втором вириальном коэффициенте до уровня 1473 К, о коэффициенте вязкости до уровней 1600 К и 2150 К и о коэффициенте теплопроводности до - 2400 К и 2100 К. На основе восстановленного потенциала, представленного в работе рассчитаны таблицы справочных величин для коэффициентов β (Т) и α (Т) гелия в диапазоне температур от 5 до 5000 К.

Это масло по-прежнему тратится впустую и может нанести серьезный ущерб окружающей среде, но ученые могут уменьшить вредное воздействие, удалив большую часть этого слоя сверху. Гелиевые воздушные шары создают праздничный воздух для вечеринок, плывущих над землей, явление, которое происходит из-за плотности гелия. Поскольку он менее плотный, чем воздух вокруг него, воздушный шар плавает. Эта характеристика важна в погодных шарах и при одном время было важным в полетах дирижаблей и дирижаблей. Хотя гелий является вторым по численности элементом во Вселенной, его плотность делает его довольно редким на Земле.

Эти таблицы приняты Росстандартом и получили категорию рекомендованных данных в Государственной службе стандартных справочных данных (ГСССД). Подтверждением достоверности справочных величин являются результаты независимых обобщений, приведенные в работах, которые соответствуют основным экспериментальным данным, полученным в пределе оцененных погрешностей последних.

Мы фактически выкапываем его из земли, а не извлекаем из атмосферы. Там была забавная легенда об открытии принципа плотности. В Древней Греции Архимед был спрошен королем, чтобы узнать, была ли его корона твердым золотом или если король был обманут золотисто-серебряной смесью. должен был сделать это, не нарушив или уничтожив корону. Архимед боролся с проблемой, но, наконец, решил ее, когда в конце длинного дня он забрался в ванну. Когда он попал в ванну, какая-то вода провалилась над стороной потому что он имел большую плотность, чем вода.

Его тело подтолкнуло этот уровень воды до тех пор, пока некоторые из них не переполнили ванну из-за плотности. Эта же идея заключается в том, что лодки или доски из дерева плавают, но камни нет. Айсберги представляют собой уникальную проблему для океанских кораблей, которые путешествуют в арктические и антарктические круги. Поскольку плотность воды изменяется с понижением температуры, лед плавает. Кроме того, айсберги изготовлены из замороженной пресной воды, тогда как холодная вода вокруг них - соленый свитер; соленая вода имеет более высокую плотность, чем пресная вода, поэтому в сочетании с замороженными свойствами пресной воды айсберги плавают.

В разделе приводятся данные для расчета теплофизических характеристик газообразного гелия в указанном диапазоне параметров: источники, расчетные выражения, размерности величин, оценки погрешностей, а также комментарии.

При расчете теплофизических свойств гелия используются соотношения: температура Т = 300÷2500 К, давление Р = 0,1÷6 МПа.

Проблема для этих кораблей - это положение айсберга в воде. По некоторым оценкам, менее 10 процентов айсберга фактически видимы над поверхностью, а остальная часть может распространяться опасно до того, как судно приблизится к кончику. Это источник предупреждения: «Это только верхушка айсберга».

Определения абсолютной, избыточной и чистой адсорбции в микропористых материалах используются для определения правильных пределов при нулевом и бесконечном давлении. Показано, что абсолютная адсорбция является фундаментальным термодинамическим свойством, и обсуждаются методы определения плотности твердого тела, включающей объем микропор. Представлено простое средство определения, когда необходимо различать три определения при низком давлении. Чтобы подчеркнуть практические последствия анализа, подробно рассмотрим случай адсорбции гелия, и комбинация экспериментов и молекулярного моделирования используется для выяснения того, как интерпретировать измерения адсорбции для слабо адсорбированных компонентов.

Фундаментальные константы для гелия:

Атомный вес. А = 4,0033 ± 4 × 10 - 6

Удельная газовая постоянная R = 2077,27 ± 0,04 Дж/(кг K)

Температура кипения при нормальном давлении T к = 4,22 K

Критическая температура T кр = 5,19 K

Критическое давление P кр = 0,227 MПa

Второй вириальный коэффициент. Концентрация газовой фазы. Плотность флюидной фазы при бесконечном давлении. Объемный расход. Гравитационное ускорение. Гиббсовская энергия твердого тела без адсорбата. Энтальпия адсорбции. Постоянная Больцмана. Безразмерная константа закона Генри.

Безразмерная избыточная константа закона Генри. Безразмерная чистая константа закона Генри. Константа закона Генри. Длина адсорбционной колонны. Молекулярная масса адсорбата. Абсолютная адсорбированная сумма. Общее количество молей в системе. Давление в дозирующей ячейке до открытия клапана.

Критическая плотность r кр = 70,2 кг/м 3 3

Удельный объем

Для расчета удельного объема по уравнению состояния реального газа учитывается второй вириальный коэффициент, м 3 /кг :

V = 1/r = RT/P+B(T) (1 )

B(T) = α 1 T* 1/2 + α 2 T* 1/3 α 3 T* 1/4 ,(1а )

где T* = T/10 4 , T в K, α 1 = – 0,0436074;α 2 = 0,0591117; α 3 = – 0,0190460. Точность расчета B (T) составляет 2 % при температурах в диапазоне T = 300 - 1300 K, и - 5 %при температурах в диапазоне T = 1300 - 2500 K.

Давление в дозирующей ячейке после открытия клапана. Давление в поглощающей ячейке до открытия клапана. Давление в поглощающей ячейке после открытия клапана. Концентрация адсорбированной фазы. Абсолютная концентрация адсорбированной фазы. Избыточная концентрация адсорбированной фазы.

Чистая концентрация адсорбированной фазы. Идеальная газовая постоянная. Молярная энтропия адсорбированной фазы. Молярная энтропия газовой фазы. Энергия взаимодействия атома. Молярный объем газовой фазы. Объем твердого вещества, включая микропоры. Пористость микропористого материала.

Удельная изобарная теплоемкость. Дж /(кг· K ) :

H p (T, P) = H po - [RT 2 (d 2 B/d T 2)] (P/RT), (2)

где H po = 5 R /2 = 5193,17 Дж/(кг·K ), температура T измеряется в K, давление P- в Пa . Точность аппроксимации опытных данных не хуже, чем 0,1 %.

Удельная изохорная теплоемкость, Дж /(кг·K ) :

H v ( T, P) = H vo - R (P/RT), (3)

Массовая доля активного вещества в грануле. Химический потенциал адсорбата. Химический потенциал твердого вещества. Химический потенциал твердого вещества без адсорбата. Уменьшенная плотность при близкой упаковке. Уменьшенная плотность адсорбированной фазы при близкой упаковке.

Плотность газовой фазы. Твердая плотность, включая микропоры. Плотность активного материала. Сигнал от микробаланса. Несмотря на несколько десятилетий исследований, все еще есть некоторая путаница в отношении того, какое определение адсорбции используется для микропористых материалов и как последовательно преобразовывать эти свойства. Эти проблемы недавно были привлечены в особую точку зрения из-за текущей постоянной заинтересованности в адсорбции высокого давления слабо адсорбирующих газов, таких как водород, где двусмысленность в определении свойств и процедур конверсии между ними может привести к заметным различиям.

где H vo = 3 R /2 = 3115,91 Дж/(кг К). Точность аппроксимации не превышает 0,1 %.

Показатель адиабаты (изоэнтропы )

Показатель изоэнтропы , приводится в соответствии с работой :

где в качестве предела при P ® 0 k ® 5/3.

Термодинамическая скорость звука, м /с, :

(5)

Обсуждение в существующей литературе по этой теме обширно, и попытка обобщить ее не входит в сферу этого вклада. Из этого, однако, вытекает, что до сих пор нет единого мнения о форме и стандартах, согласно которым следует сообщать данные о адсорбции; существует еще значительная путаница в том, что фактически измеряется непосредственно в экспериментах; и отсутствует понимание того, какая информация необходима для моделирования процессов адсорбции, что приводит к уменьшению полезности многих представленных наборов данных.

Большая часть внимания в литературе посвящена различным способам определения избыточных адсорбированных количеств и способам коррекции адсорбции гелия, но тот факт, что эти величины не позволяют формулировать массовые балансы процессов адсорбции, в значительной степени пропущены.

где давление P - в Пa , температура T измеряется в K.

Удельная энтальпия Дж /кг, :

(6)

где D Э o = H p o T = 5193,17 T, Дж/кг. Точкой отсчета принято состояние идеального газа (0 K). Точность аппроксимации (при T = 300 - 2500 K и P в диапазоне от 0,1 до 6 Мпа) не превышает 0,1 %.

В этой статье мы стремимся оправдать рассуждения по следующим пунктам. Чистая адсорбция является полезным, недвусмысленным средством для сообщения данных адсорбции. Для моделирования процессов адсорбции необходима абсолютная адсорбция, и для микропористых материалов требуется объем твердого вещества, включающего микропоры. Требуемый твердый объем может быть измерен независимо, что позволяет преобразовывать сеть в абсолютные адсорбированные количества.

Не используйте избыточную адсорбцию.
Это не является четко определенным свойством для микропористых материалов.

Мы ограничиваем наш анализ только материалами, которые не включают мезопоры и не подвергаются структурным изменениям.

Удельная энтропия, Дж /(кг·K ), по данным работ :

(7)

где

где температура T измеряется в K, давление P - в Пa , P o = 0,101325 10 6 Па. Точность при температуре в диапазоне T = 300 - 2500 K и при давлении в диапазоне P = 0,1 6 МПа не превышает 0,1 %.

Эти дополнительные случаи можно решить только после того, как будет достигнуто соглашение о том, как определить адсорбцию в жестких микропористых материалах. Для разработки правильной макроскопической модели адсорбции в согласованной термодинамической структуре всегда необходимо четко определить систему. Что может показаться иногда немного педантичным, но учитывая важность нахождения общей основы для определения равновесий адсорбции, мы переходим к поэтапному определению, чтобы избежать каких-либо недоразумений.

Это очевидное определение системы абсолютной адсорбции, и она эффективно становится системой и в чистой и избыточной адсорбции, даже когда рассматривается объем, внешний по отношению к твердому веществу, поскольку эффект внешнего объема отменяется в «сетке» и «избытке» Рамки. Для микропористых твердых веществ накопление в порах очень велико по сравнению с адсорбцией на внешней поверхности, что фактически незначительно.

Коэффициент динамической вязкости, Па с , приводится по работе :

(8)

где

(8a)

(8б)

где T* = T/10 4 , T измеряется в K, P - в Па, β 1 = 0,46041; β 2 = – 0,56991; β 3 = 0,19591; β 4 = – 0,03879; β 5 = 0,00259. Точность при температуре в диапазоне T = 300 - 1200 K составляет 1,5 %и при температуре в диапазоне T = 1200 - 2500 K составляет 2,5 %.

Система находится в контакте с бесконечным резервуаром объемной жидкости, которая остается при постоянной температуре и давлении. Определение системы отсчета и концептуального описания различных адсорбированных количеств. При чистой адсорбции удаляются молы, которые были бы в жидкости при одинаковом давлении и температуре системы с концентрацией в равновесии с адсорбированной фазой, которая занимала бы объем системы.

В большинстве случаев третий вариант является общепринятым, и мы обсудим некоторые последствия в следующем разделе. Интуитивно мы ожидаем, что избыточная адсорбция в микропорах и неупорядоченных структурах должна быть более сложной для определения, по сравнению с избыточной адсорбцией на плоской поверхности.

Коэффициент теплопроводности, Вт / (м·K ), :

(9)

Где

(9a)

K 1 показан выше, точность при температуре в диапазоне T = 300 - 1200 K составляет 1,5 % и при температуре T = 1200 - 2500 K составляет2,5 %.

Концентрация адсорбированной фазы может быть получена путем деления количества молей на объем. И эквивалентные чистые и избыточные концентрации даются выражением. Где пористость микропористого материала определяется как. Общее число молей в этой системе будет дано. Это ясно показывает, что для формулировки баланса массы необходим объем частиц, который включает микропоры.

Частица, включающая макропоры, микропористые твердые вещества и инертное связующее. Ясно, что эти два являются взаимозаменяемыми, если известна эта твердая плотность. Из приведенных выше определений можно понять, какое правильное предельное поведение для разных переменных находится при почти нулевом давлении.

Данные, приведенные в таблице ниже, рассчитаны по приведенным выше соотношениям. Кроме того, соотношение δ = β/ r используется для расчета коэффициента кинематической вязкости; γ = α/(H p r ) – для коэффициента температуропроводности , и ε = δ / γ– для числа Прандтля.

Мы исключили значения теплоемкости Н из приведенной ниже таблицы,т.к.в исследуемом интервале температур темплоемкость слабо изменяетсяи равна 5,193 Дж/(г· К).

Cтраница 1

Плотность гелия но отношению к воздуху составляет 0 138, удельный объем - 5 596 см3 / г. Гелий почти не растворим в воде и других жидкостях и меньше, чем любой другой газ склонен к адсорбции.

Плотность гелия при 0 и 1 атм равна.

Плотность гелия составляет примерно V. Поскольку шар находится в воздухе, простой путь решения задачи состоит в следующем: считать плотность шара равной - 6 / 7 рвозд и не обращать в дальнейшем внимания на присутствие воздуха.

Добровольским и Голубевым определена плотность гелия на восьми изотермах от 20 до 164 К и шести изобарах до 500 атм.

Из табл. 2 видно, что плотность гелия невелика, а теплоемкость значительна; по этим характеристикам гелий уступает только водороду. Газообразный гелий обладает высокой теплопроводностью и является хорошим теплоносителем.

Какова подъемная сила F 1 м3 гелия, идущего на наполнение дирижаблей, если плотность гелия относительно воздуха равна 0 137 и 1 м3 воздуха весит 1 3 кгс.

F - численный коэффициент для приведения удельного веса ртути к значению, соответствующему стандартному значению ускорения силы тяжести и температуре 0 С; - 0 001 - суммарная поправка на капиллярную депрессию уровня ртути (диаметр трубки барометра 32 мм); / j - расстояние в мм от средней точки спирали термометра до линии конденсации водяного пара (направление вверх считается положительным); / 2 - расстояние в мм от линии конденсации водяного пара до нижнего мениска ртути в барометре (направление вверх считается положительным); гг - отношение плотности насыщенного водяного пара при давлении р к плотности ртути; г2 - отношение плотности гелия при давлении р и комнатной температуре к плотности ртути.

Отделенный, как аргон, от азота и других подмесей, гелий выделяется из смеси с другими аргоновыми газами на основании того, что он легче их всех, а потому проникает чрез пористые перегородки в наибольшем количестве, а при действии холода, даже развиваемого жидким водородом, не превращается в жидкое состояние ; если же гелий смешан с другими аргоновыми газами, то при их сжижении растворяется в них, а такой раствор при - 250 (жидкий водород) выделяет в пустоту почти один гелий. Плотность гелия лишь в 2 0 раза превосходит плотность водорода, так что после него это наиболее легкий газ. В части аргоновых газов, подверженных сжижению, и в тех частях сжиженного воздуха, которые испаряются наиболее трудно, находятся еще два газа, считаемые, как аргон, простыми телами, но кипящие выше аргона, а именно криптон Кг 81 8 и ксенон Хе 128, открытые Рамзаем и Траверсом.

Рассмотрим теперь взаимодействие нейтрона с ротонным спектром. Нам необходимо определить изменение плотности гелия в месте нахождения нейтрона, обусловленное наличием ротонов.

В заключение мы должны рассмотреть переходы из состояния квазисвободной плоской волны в локализованное состояние электрона в гелии. Сандерс и Левин наблюдали , что, когда плотность гелия в газовой фазе возрастает при 4 2 К, в области 6 - Ю20 - 1 2 - 1021 атом / см3 достигается критическое значение плотности, начиная с которого подвижность электрона убывает на три-четыре порядка до величины, соответствующей подвижности электрона в жидкости. Теоретическое исследование зависимости энергий свободного и локализованного состояний электрона от плотности в гелии приводит к значению 1 0 - 1021 атом / смА, выше которого локализованные состояния становятся более стабильными, чем свободные. Это теоретическое значение хорошо согласуется с экспериментальными данными. Полученный результат легко понять, если учесть, что при относительно низких плотностях пузырек не является конфигурацией с наинизшей энергией, поскольку работа объемного расширения, требующаяся для образования полости, еще велика. В то же время снижение энергии локализованного состояния по сравнению с энергией плоской волны мало ввиду малой плотности. Эксперименты Сандерса вместе с изложенными соображениями подтверждают применимость пузырьковой модели.

В заключение мы должны рассмотреть переходы из состояния квазисвободной плоской волны в локализованное состояние электрона в гелии. Сандерс и Левин наблюдали , что, когда плотность гелия в газовой фазе возрастает при 4 2 К, в области б - Ю20 - 1 2 - 1021 атом / см3 достигается критическое значение плотности, начиная с которого подвижность электрона убывает на три-четыре порядка до величины, соответствующей подвижности электрона в жидкости. Теоретическое исследование зависимости энергий свободного и локализованного состояний электрона от плотности в гелии приводит к значению 1 0 - 1021 атом / см3, выше которого локализованные состояния становятся более стабильными, чем свободные. Это теоретическое значение хорошо согласуется с экспериментальными данными. Полученный результат легко понять, если учесть, что при относительно низких плотностях пузырек не является конфигурацией с наинизшей энергией, поскольку работа объемного расширения, требующаяся для образования полости, еще велика. В то же время снижение энергии локализованного состояния по сравнению с энергией плоской волны мало ввиду малой плотности. Эксперименты Сандерса вместе с изложенными соображениями подтверждают применимость пузырьковой модели.

Процесс при небольших перепадах протекает почти обратимо в. Др устанавливается разность темп-р ДГ такая, что Др р5ДГ, где р - плотность гелия, S - энтропия единицы массы гелия.

Вычислить вероятность рассеяния удается только для нейтронов, скорость которых меньше скорости звука в гелии II, что соответствует энергиям, меньшим, чем 3 5 К. В этом случае энергия взаимодействия нейтрона с гелием имеет весьма простой вид - она пропорциональна плотности гелия. В промежуточной области энергий, между 3 5 и 15 5 К, вычисления наталкиваются на большие затруднения.

Активированные угли были получены прокаливанием сарана при 600 с последующей обработкой паром при 950; длительность обработки паром последовательно увеличивалась. В третьем и четвертом столбцах даны объемы, вычисленные по правилу Гурвича по изотермам адсорбции NJ и СгН5С1; в пятом столбце приведены объемы, вычисленные по плотности гелия и ртути.