Перегрев и взрывное вскипание растворов аргон-гелий и а ргон-неон Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 536.4

В. Г. Байдаков, А. М. Каверин, В. Н. Андбаева

ПЕРЕГРЕВ И ВЗРЫВНОЕ ВСКИПАНИЕ РАСТВОРОВ АРГОН-ГЕЛИЙ И А РГОН-НЕОН

Ключевые слова: достижимый перегрев, нуклеация, вскипание, растворы, аргон-гелий, аргон-неон. attainable superheat, nucleation, boiling-up, solutions, argon-helium, argon-neon

Методом измерения времен жизни исследована кинетика спонтанного вскипания перегретых растворов аргон-гелий и аргон-неон. Опыты проведены в интервале частот нуклеации 104-108 с~1м~3 при давлении p = 1.5 МПа и концентрациях низкокипящего компонента до 0.33 моль %. Выделен режим гомогенной нуклеации. Обнаружено систематическое (на 0.25-0.34 К) занижение достигнутых в опыте температур перегрева по сравнению с теоретическими значениями, рассчитанными в макроскопическом приближении, которое связывается с зависимостью свойств зародышей новой фазы от их размера.

The method of lifetime measurement has been used to investigate the kinetics of spontaneous boiling-up of superheated argon-helium and argon-neon solutions. Experiments were made in the range of nucleation rates from 104 to 108 s-1m-3 at a pressure p = 1.5 MPa and concentrations of low-temperature components up to

0.33 mol %. The homogeneous nucleation regime has been distinguished. A systematic underestimation (by 0.25-0.34 K) has been revealed in superheat temperatures attained by experiment as compared with theoretical values calculated in a macroscopic approximation. The disagreement is connected with the dependence of the properties of new-phase nuclei on their size

Данная работа посвящена экспериментальному исследованию кинетики нуклеации в растворах аргон-гелий и аргон-неон. Указанные растворы относятся к классу газированных жидкостей.

Теория вскипания газированных жидкостей рассматривалась в работах [1, 2] и в наиболее общем виде в работах [3, 4]. Как и в случае однокомпонентной жидкости, стационарная частота гомогенной нуклеации в растворе определяется выражением

J =рбехр(-Ж fkBT), (1)

где р - числовая плотность раствора; В - кинетический множитель; - работа образования критического зародыша; кв - постоянная Больцмана; Т - температура.

Кинетический множитель учитывает динамику роста зародыша и согласно [4] может быть представлен в виде:

(к тУд

е=|»„|р:ягр! , (2)

\ ° j

где р, - плотность числа молекул в пузырьке критического радиуса R,; а - поверхностное натяжение; А.0 - функция термодинамических и кинетических свойств раствора.

При положительных давлениях и температурах, близких к критической точке, динамика роста пузырька около критического размера в перегретой газированной жидкости

определяется главным образом скоростью испарения и конденсации компонентов смеси. Вязкими силами и диффузионным подводом легколетучего компонента к пузырьку можно пренебречь. Тогда при малых концентрациях гелия и неона в жидком аргоне для кинетического множителя В можно записать

.1/2

б = | 1 , (3)

т1 и т2

массы молекул первого и второго компонен-

тов; Ci. - концентрация второго компонента в критическом зародыше, которая близка к равновесной концентрации его в насыщенном паре С".

Величина кинетического множителя слабо зависит от давления, температуры и от концентрации растворяемого в жидкости газа. Для исследуемых растворов она составляет (2 — 6) ■ 1011 с"1. Учет вязких сил, диффузионного подвода л егко летуч его компонента меняет это значение в 1.5-2 раза, что приводит к изменениям в температуре перегрева раствора, не превышающим 0.03 К.

Если жидкость несжимаема, а паровая смесь в пузырьке является идеальным газом, то при малых перегревах, когда W+jkBT » 1, для слабого раствора можно записать [5]:

167t а3

VV: =■

іЛ

(4)

'о J

'0 ’ vo

■удельные объемы чистого растворителя в

где р^ - давление насыщения раствора; . жидкой и газовой фазах.

Для экспериментального изучения кинетики спонтанного вскипания растворов аргон-гелий и аргон-неон использован метод измерения времени жизни [6]. Экспериментальная установка и методика проведения опытов подробно описаны в работах [4, 5]. Жидкий раствор помещается в стеклянный капилляр объемом V я 83 мм3. Раствор переводится в метастабильное состояние путем сброса давления (7~ = СОПБ1:). В опыте при заданных температуре Т , давлении р и концентрации второго компонента в жидкости С

измеряется время ожидания вскипания перегретого раствора г, которое отождествляется с временем ожидания появления первого критического зародыша. В сериях из А/ = 40-80 измерений т определяется среднее время жизни перегретого раствора ^ = 23^ и рассчи-

I

тывается частота нуклеации 3 =(г1/) . Концентрация раствора определялась непосредственно в ячейке по давлению насыщенных паров до и после проведения опытов. Использовались данные по фазовым равновесиям для систем аргон-гелий работ [7, 8], для системы аргон-неон [9].

Опыты проведены при одном давлении р = 1.5 МПа и трех значениях концентрации гелия (С = 0 ; 0.06; 0.11 моль %) и неона (С = 0 , 0.30; 0.33 моль %) в растворе в интервале частот нуклеации Л=104-103 с^м-3. Результаты экспериментов представлены на рис. 1а, б. Как и для однокомпонентных жидкостей, на изобарах раствора можно выделить два участка, отличающихся характером температурной зависимости частоты нуклеации. При достижении определенной температуры (границы достижимого перегрева) на экспериментальных кривых наблюдается участок резкого возрастания J . Здесь при увеличении

Б идеальном растворе производная (до!Эс)т пропорциональна относительной адсорбции. Согласно (6), относительная адсорбция является основным параметром, определяющим концентрационную зависимость частоты нуклеации в газонасыщенном растворе. Для растворов аргон-гелий и аргон-неон производная (доI дс)т <0. При значительном

отличии растворимостей гелия и неона в аргоне значения относительной адсорбции в растворах аргон-гелий и аргон-неон близки. На границе спонтанного вскипания при Л=107 с'1м"3 значения производной (ЭIП3 / дс)рТ для указанных растворов □ (3.0±0.1) 103.

На рис. 2 сопоставляются концентрационные зависимости температур достижимого перегрева (р= 1.5 МПа, J =107 с"1м"3) исследованных растворов, полученные в эксперименте и рассчитанные из теории гомогенной нуклеации. Понижение температуры перегрева раствора с ростом концентрации связано с уменьшением поверхностного натяжения на границе жидкость-пар и температуры насыщения 7"5, причем второй параметр является определяющим.

136.2

■;, о i

135.9 'V'', л 2

135.6 VV --

\ \ "" ^

К'

135.3 ' \ '■ ''

135.0 - V \ ''

134.7 ■ i i i

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

с, l Т ё. %

Рис. 2 - Концентрационная зависимость температуры достижимого перегрева растворов: 1 - Аг—Н©; 2 - Аг—N6. Штриховые линии - расчет по ур. (1), (3), (4)

Как показано в работе [4], систематическое рассогласование теории и опыта для чистых криогенных жидкостей связано с размерной зависимостью поверхностного натяжения на границе метастабильный раствор - критический пузырек. Для чистых жидкостей учет размерной зависимости o(R„) в рамках теории капиллярности Ван-дер-Вааль с а приводит к согласию теории и опыта в пределах их погрешности. Можно предположить, что и в растворе систематический недогрев до теоретических значений связан с той же причиной -размерной зависимостью o(R,). Расчет из формул (1), (3), (4) поверхностного натяжения критического пузырька по экспериментальным данным о температуре достижимого перегрева Тп и частоте нуклеации J =107 с"1 м"3 дает значение, меньшее на 4-6%. Такое же рассогласование между o(R*) и имело место и для чистых жидкостей.

Работа выполнена при финансовой поддержке программы интеграционных исследований УрО - ДВО РАН и гранта Президента России (НШ-2999.2008.8).

Литература

1. Дерягин, Б. В. К теории вскипания газированной жидкости / Б. В. Дерягин, A. В. Прохоров // Коллоид. журн. - 1982. - Т. 44. - № 5. - С. 847-862.

2. Куни, Ф. M. Термодинамика распада пересыщенного газом раствора / Ф. М. Куни, В. М. Огенко, Л. Н. Ганюк, Л. Г. Гречко // Коллоид. журн. - 1993. - Т. 55. - № 2. - С. 22-27.

3. Baidakov, V. G. Nucleation in superheated gas-saturated solutions. I. Boiling-up kinetics / V. G. Baidakov // J. Chem. Phys. - 1999. - Vol. 110. - № 13. - P. 3955-3960.

4. Baidakov, V. G. Explosive Boiling of Superheated Cryogenic Liquids / V. G. Baidakov. - Weinheim: Wiley-VCH, 2007. - 340 p.

5. Байдаков, В. Г. Перегрев криогенных жидкостей / В. Г. Байдаков. - Екатеринбург: УрО РАН, 1995. - 264 с.

6. Скрипов, В. П. Метастабильная жидкость / В. П. Скрипов. - М.: Наука, 1972. - 342 с.

7. Sinor, J. E. Solubility of Helium in Liquid Argon, Oxygen and Carbon Monoxide / J. E. Sinor, F. Kurata // J. Chem. Engin. Data - 1966. - Vol. 11. - № 4. - P. 537-539.

8. Streett, W. B. Gas-Liquid and Fluid-Fluid Phase Separation in the System Helium-Argon at High

Pressures / W. B. Streett // Trans. Faraday Soc. - 1969. Vol. 65. - N 555. - P. 696-702.

9. Trappeniers, N. J. Vapor - liquid and gas - gas equilibria in simple systems. II. The system neonargon / N. J. Trappeniers, J. A. Schouten // Physica - 1974. - Vol. 73. - № 3. - P. 539-545.

10. Каверин, А. М. Поверхностное натяжение на межфазной границе растворов гелий-аргон и неон-аргон в интервале температур 108-140 К / А. М. Каверин, В. Н. Андбаева, В. Г. Байдаков // ЖФХ - 2006. - Т. 80. - № 3. - С. 495-499.

11. Байдаков, В.Г. Достижимый перегрев жидкого аргона / В. Г. Байдаков, В. П. Скрипов,

А. М. Каверин // ЖЭТФ - 1973. - Т. 65. - Вып. 3(9). - С. 1126-1132.

12. Skripov, V. P. Nucleation in superheated argon, krypton and xenon liquids / V. P. Skripov,

V. G. Baidakov, A. M. Kaverin // Physica - 1979. - Vol. 95A. - № 1. - P. 169-180.

© В. Г. Байдаков - д-р физ.-мат. наук, проф., директор Института теплофизики УрО РАН, [email protected]; А. М. Каверин - канд. физ.-мат. наук, науч. сотр. того же ин-та;

В. Н. Андбаева - асп. того же ин-та.