Способ определения коэффициента изотермической сжимаемости

 

Изобретение относится к измерительной технике. Цель - повышение точности измерения. Способ определения коэффициентов изотермической сжимаемости и температурного расширения предусматривает изменение давления и температуры в исследуемой среде, измерение их значений, возбуждение колебаний в исследуемой среде и определение коэффициентов по данным о длине волны и/или частоты при изменениях давления и температуры. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам определения физических свойств жидкостей и газов и может быть непосредственно использовано для определения коэффициентов изотермической сжимаемости и температурного расширения, а также расчета по их значениям изобарной и изохорной теплоемкостей.

Известен способ определения сжимаемости жидкости [1] предусматривающий сжатие объема газа или жидкости в сосуде высокого давления при постоянной температуре Т и нахождение значений объема V при изменении давления Р и определение секанс (секущий) сжимаемости по уравнению: где V_o объем при начальном давлении Р_о.

Его недостаток низкая точность, и то, что сжимаемость, определенная согласно этому способу, не может быть использована в термодинамике, т.к. коэффициент сжимаемости, имеющий строгий физический смысл определяется как: _т= Способ обладает неудовлетворительной сопоставимостью результатов, т.к. значения зависят от выбора интервалов изменения давления Р и объема V.

Наиболее близким к изобретению является способ определения сжимаемости [2] называемой в источнике тангенс (касательной) сжимаемостью, который подразумевает сжатие объема газа или жидкости в сосуде высокого давления при постоянной температуре и определение секанс-сжимаемости, а по значениям секанс-сжимаемости пересчет на тангенс-сжимаемость, с использованием эмпирических коэффициентов, или по номограммам, построенным согласно указанным расчетам. Этому способу присущи те же недостатки, что и предыдущему, низкая точность, неудовлетворительная сопоставимость результатов, трудности сравнения данных различных жидкостей, газов.

Указанные способы содержат те же недостатки и в случае их использования для определения коэффициента температурного расширения, т.к. подразумевают, как основную операцию, определение интервалов изменения объема при изменениях температуры и давления.

Цель изобретения повышение точности определения коэффициента изотермической сжимаемости и коэффициента термического расширения.

Поставленная цель достигается тем, что в среде, в которой необходимо определить коэффициенты изотермической сжимаемости и температурного расширения, возбуждают колебания и определяют длину волны или частоту колебаний, а коэффициенты рассчитывают по формулам: _т= = и где _т коэффициент изотермической сжимаемости; коэффициент температурного расширения; длина распространяемой в среде волны; Р давление; Т температура.

Колебания могут возбуждать ультразвуковые, а производные и могут определять численным дифференцированием.

На чертеже показан вариант ультразвукового устройства для осуществления способа.

Корпус 1 через отверстие 2 заполняют исследуемой жидкостью, 3, например, водой, изолируют от внешней среды эластичной перегородкой 4 (это не обязательно, если исследуемая жидкость одновременно является, например, и передающей давление), и помещают в сосуд (не показан), в котором изменяют давление и температуру. Затем на электроды 5 и 6, нанесенные на поверхности пьезокристалла 7 подают переменное напряжение, например частотой 5-10 МГц, которое за счет пьезоэффекта преобразуется в ультразвуковую волну, проходящую через жидкость в направлении к приемному пьезокристаллу 8, воздействие которой на кристалл вновь преобразуется в переменное напряжения, съем которого осуществляют с электродов 9 и 10. Сигналы регистрируют, обрабатывают и анализируют с помощью блока контрольно-измерительной аппаратуры (не показан).

Скорость ультразвука (С) в среде, заполняющей акустическую ячейку, образованную корпусом и кристаллами 7 и 8 (в данном примере являющуюся резонатором) связана с частотой n-ного резонансного пика f_n выражением: C 2h (1) где h расстояние между кристаллами. Поглощение ультразвука определяется выражением:
(2) где f_n ширина резонансного пика, 3,14.

Длину волны определяют, исходя из выражений (1) или (2) учитывая, что с/f.

Затем изменяют давление Р при постоянной температуре Т и температуру при постоянном давлении и определяют значения длин волн при различных Р и Т.

При полученным значениям рассчитывают коэффициенты изотермической сжимаемости:
_т= и температурного расширения:
При этом производные и определяют, например, численным дифференцированием с использованием компьютера, предпочтительно встроенного в блок контрольно-измерительной аппаратуры и находящегося в системе обратной связи с элементами электронной блок-схемы (не показаны). Для повышения точности измерения проводят с помощью двух или трех измерительных ячеек с исследуемым флюидом, опрос которых, например, осуществляют через коммутатор с помощью одного и того же блока контрольно-измерительной аппаратуры. Ячейки, например, могут быть выполнены в одном корпусе и перекрываться двумя пьезокристаллами 7 и 8. Одну из ячеек могут использовать, как датчик давления, другую температуры, а остальные, количество которых определяется целями и условиями измерений, заполняют флюидом (флюидами), подлежащим исследованию.

Определение коэффициентов изотермической сжимаемости и температурного расширения по предложенному способу позволяет существенно повысить точность их определения, т. к. скорость ультразвука определяют с помощью описанного резонаторного устройства с точностью 1,5 10^-4% частоту колебаний 10^-5 давление 0,01 МПа и лучше температуре 10^-2 10^{-3 о}С.

Кроме того, применение данного способа позволяет с использованием части тех же операций и теми же устройствами одновременно известными методами определять адиабатическую сжимаемость. По значениям изотермической и адиабатической сжимаемостей рассчитывают отношение теплоемкостей:
где С_р изобарная;
С_v изохорная теплоемкость.

Знание также, коэффициента температурного расширения определенного заявляемым способом, позволяет рассчитывать отдельно С_р и C_v
C_v= C_p=
Это невозможно было ранее делать с точностью выше 40% из-за низкой точности или невозможности определения коэффициентов.

Формула изобретения

1. СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ СЖИМАЕМОСТИ, заключающийся в том, что изменяют давление и температуру исследуемой среды, измеряют эти величины и вычисляют коэффициент изотермической сжимаемости, отличающийся тем, что в исследуемой среде возбуждают колебания, определяют длину волны и/или частоту колебаний, а коэффициент изотермической сжимаемости определяют из выражения

где _т - коэффициент изотермической сжимаемости;
- длина волны;
P - давление;
T - температура,
при этом дополнительно определяют коэффициент температурного расширения

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в исследуемой среде возбуждают ультразвуковые колебания.

РИСУНКИ

Рисунок 1