Например, Бобцов

О структуре фундаментального уравнения состояния, учитывающего асимметрию жидкости и пара

УДК 536

О структуре фундаментального уравнения состояния, учитывающего асимметрию жидкости и пара
Кудрявцева И.В., Демина Л.Ю.
Санкт-Петербургский государственный университет низкотемпературных и пищевых технологий
В настоящее время для описания равновесных свойств жидкости и газа все большее распространение получают неаналитические уравнения состояния. В работе рассмотрен метод построения фундаментального уравнения состояния, учитывающего асимметрию системы жидкость-пар. Предложенное фундаментальное уравнение качественно верно передает поведение равновесных свойств жидкости и пара в широкой окрестности критической точки. Регулярная составляющая свободной энергии позволяет удовлетворить требованию перехода в области малых плотностей и давлений.
Ключевые слова: фундаментальное уравнение состояния, масштабная функция, свободная энергия Гельмгольца.

При описании равновесных свойств жидкости и газа все большее распространение получают неаналитические уравнения состояния [1—3]. В настоящее время они используются для расчета термодинамических таблиц холодильных агентов [4—6] в широкой области параметров состояния, включая окрестность критической точки и метастабильную область. В данной работе рассмотрен один из подходов к построению фундаментального уравнения состояния, учитывающего асимметрию системы жидкость-пар в области сильно развитых флуктуаций, т.е. в области параметров состояния: по плотности.
Для решения поставленной задачи воспользуемся методом [1], предложенным для построения неаналитических уравнений состояния, передающих поведение жидкости и пара вблизи критической точки в соответствии с моделью решеточного газа. В этом случае искомое фундаментальное уравнение принимает следующий вид:

F~(ρ,T ) = F~0 (T ) + F~R (ρ,T ) + F~S (ρ,T ) + F~NA (ρ,T ) + + F~A(1S) (ρ,T ) + F~A(S2) (ρ,T ) + F~A(3S) (ρ,T )

(1)

где F%0(T ) — идеально-газовая составляющая свободной энергии,

( ) ∑ ∑F~R ρ,T

=

ρ RT pc

ln ρ

+

ρ RT pc

ω

n3 i =1

j3 (i )

Cijτ

j 1

(∆ρ

)

i

j=0

,

(2)

∑F~S (ρ,T ) =

ρ pc

RTc

2
f (ω) u0 j
j=0

f0 j (t )τ s

2−α
a0 (~x ) ,

(3)

∑F~NA (ρ,T ) =

ρ pc

2
RTc f (ω ) u1 j
j=0

f1 j (t )τ s

2−α +∆
a1(~x ),

(4)

∑( ) ( ) ( ) ( )F~A(1S) ρ,T

=

ρ pc

RTc f

ω

2

u2 j f2 j

t

τs

2−α +∆1
a2

~x

,

j=0

(5)

∑( ) ( ) ( ) ( )F~A(S2) ρ,T

=

ρ pc

RTc f

ω

2

u3 j f3 j

t

τs

2−α +∆1
a3

~x

,

j=0

(6)

∑( ) ( ) ( ) ( )F~A(S3) ρ,T

=

ρ pc

RTc f

ω

1

u4 j f2 j

t

τs

2−α +∆2
a4

~x

.

j=0

(7)

Масштабные функции a0 ( x%) и a1 ( x%) , которые входят в выражения (3) и
(4), обеспечивающие описание поведение термодинамической поверхности в соответствии с требованиями масштабной теории, разработанной для симметричных систем, выберем в виде, рекомендованном в [2], а именно:

a0 (x%) =

A1

  

(

x%+

)x 2−α 1



x1 x2

( x%+

x2

)2−α

  

+

B2

(

x%+

x2



+

C0

,

(8)

a1(x%) =

A1

 

(



x%+

)x 2−α+∆ 1



x1 x2

( x%+

x2

)2−α+∆

  

+

B2

( x%+

x2

)γ+∆

+

C1 .

(9)

Что касается выбора масштабной функции a2(x%) , входящей в выражение (5), то обратим внимание, что в работе [7] на основе анализа поведения масштабных функций a0(x%) и a1(x%) сделан вывод о том, что масштабные функции в физических переменных плотность-температура верно воспроизводят термодинамическую поверхность в том случае, если они имеют вблизи критической изохоры следующие асимптотики:

fi (x%) x→∞ = b1i x%−α+∆i + b2i x%γ+∆i −2 + b3i x%−α+∆i −1 + ... ,

(10)

hi (x%) x→∞ = c1i x%γ+∆i + c2i x%γ+∆i −1 + c3i x%−α+∆i + ....

(11)

Поэтому и структуру масштабной функции a2 ( x%) выберем аналогичной
структуре функций (3), (4):

a2 (x%) =

A1

  

(

x%+

)x βδ+∆ 1



x1 x2

( x%+

x2

)βδ+∆

  

+

Ñ2

.

(12)

Масштабную функцию a3 ( x%) получим непосредственно из выражения
для нерегулярной составляющей свободной энергии F~A(S2)(ρ,T ) (6):

(( ) )( ) ( )a3 x% = D30 x%+ x3m −2−α+∆1 x%+ x4m 2−α+∆1 +
(( ) ( ) ))+D3*m x%+ x3*m −γ+∆1 x%+ x4*m γ+∆1 + C3 .

(13)

Анализ масштабных функций свободной энергии a2 ( x%) , a3 ( x%) и рассчи-
танных на основе (12), (13) масштабных функций химического потенциала
h2 ( x%) , h3 ( x%) и изохорной теплоемкости f2 ( x%), f3 ( x%) показал, что функции
удовлетворяют требованиям (10)—(11).
Масштабную функцию a4 ( x%) выберем по структуре такой же, как и a2 ( x%) :



( ) ( ) ( )a4(x%) =

A1

 

x%+ x1

2−α+∆2



x1 x2

x%+ x2

2−α+∆2

  

+

B2

x%+ x2 γ+∆2 + C4 .

(14)

Предложенное фундаментальное уравнение (1) в принципе позволяет решить поставленную в работе задачу. Во-первых, оно качественно верно передает поведение равновесных свойств жидкости и пара в широкой окрестности критической точки. Во-вторых, регулярная составляющая свободной энергии (2) выбрана таким образом, что дает возможность удовлетворить требованию перехода в области малых плотностей и давлений (в уравнение состояния идеального газа), а также обеспечить качественно верное воспроизведение вириальных коэффициентов.

Список литературы
1. Лысенков В.Ф., Платунов Е.С. Структура единого уравнения состояния, учитывающего особенности поведения вещества в околокритической области // ТВТ. – 1983. – Т. 21, № 4. – С. 673–679.
2. Рыков В.А. Структурная форма единого уравнения состояния, верно воспроизводящего широкую окрестность критической точки // ИФЖ. – 1985. – Т. 49, № 4. – С. 686–697.
3. Абдулагатов И.М., Алибеков Б.Г. Уравнения состояния и методы расчета термодинамических свойств метастабильных жидкостей вблизи критической точки жидкость-пар // Обзоры по теплофизическим свойствам веществ. – М.: Изд-во ИВТАН. – 1988. – № 2 (70). – 111 с.
4. Рыков В.А., Устюжанин Е.Е., Попов П.В., Кудрявцева И.В., Рыков С.В. Аммиак. Плотность, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, скорость звука в диапазоне температур 196–606 К и давлений 0,001–100 МПа. ГСССД 227-2008. Деп. в ФГУП “Стандартинформ” 15.05.2008 г., № 837-2008 кк.

5. Рыков В.А., Устюжанин Е.Е., Попов П.В., Кудрявцева И.В., Рыков С.В. Хладон R23. Плотность, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, скорость звука в диапазоне температур 235…460 К и давлений 0,01…25 МПа. ГСССД 214-06. Деп. в ФГУП “Стандартинформ” 08.06.2006 г., № 816-06 кк.
6. Рыков В.А., Устюжанин Е.Е., Попов П.В., Кудрявцева И.В., Рыков С.В. Хладон R-218. Плотность, энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости, скорость звука в диапазоне температур 160…470 К и давлений 0,001…70 МПа. ГСССД 211-05. Деп. в ФГУП “Стандартинформ” 08.12.2005 г., № 813-05 кк.
7. Рыков В.А. Анализ закономерностей изменения термодинамических свойств веществ в широком диапазоне параметров состояния, включая окрестность критической точки и метастабильную область // Дис. на соискание уч. ст. канд. техн. наук. Л.: ЛТИХП, 1988. – 275с.