Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов



Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов
Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов
Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов

 


Владельцы патента RU 2581512:

Лиджиев Борис Саранович (RU)

Изобретение относится к области молекулярной физики и может быть использовано для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов. Способ заключается в том, что диффузионную ячейку в виде прозрачной капиллярной трубки частично заполняют жидкостью, один конец которой плотно закрыт, а другой - остается открытым во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава). В процессе испарения вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным и имеет максимально возможные парциальное давление и концентрацию молекул. Испарившиеся из жидкости молекулы преодолевают расстояние от ее поверхности к открытому во внешнюю газовую среду концу капиллярной трубки путем диффузии. Свободная поверхность жидкости, наблюдаемая в микроскоп, снабженный мерной и калибровочной шкалами, вследствие испарения молекул перемещается вдоль капиллярной трубки с течением времени, удаляясь от свободного конца. Квадрат расстояния поверхности жидкости от свободного конца капилляра x2 имеет линейную зависимость от времени наблюдения t. Определяя из графика x2(t) угловой коэффициент k этой зависимости, вычисляют искомый коэффициент взаимной диффузии D по формуле:

. Техническим результатом является создание простого и точного способа для определения коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров исследуемой жидкости и внешнего газа. 2 ил.

 

Изобретение относится к области молекулярной физики и может быть использовано для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газов.

Известные способы определения коэффициента взаимной диффузии газов связаны с оценкой изменения градиента концентрации молекул с течением времени.

Наиболее близким техническим решением является способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов в тонкой трубке определенной длины и сечения, соединяющей два сосуда, заполненных смесью двух газов (гелия и воздуха) при одинаковом давлении, но с разной концентрацией компонентов (Лабораторный практикум по общей физике: учебное пособие в 2 т. Т. 1: Термодинамика и молекулярная физика. 2-е изд., испр., с. 110-118. - 292 с. / Гладун А.Д., Александров Д.А., Игошин Ф.Ф. и др.; Под ред. А.Д. Гладуна. - М., МФТИ, 2007). Коэффициент взаимной диффузии определяется из зависимости изменения концентраций компонентов газовой смеси от времени, для оценки которых применяются датчики, измеряющие коэффициент теплопроводности с использованием зависимости последнего от концентрации состава газовой смеси. Коэффициент взаимной диффузии вычисляют из полученной в результате измерений постоянной времени процесса, зависящей также и от геометрических размеров сосудов, образующих замкнутый объем. Недостатком этого косвенного способа является сложность измерительной системы и ее настройки, требуется предварительное исследование зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава, невысокая точность измерений.

Задачей изобретения является создание более простого и точного по сравнению с прототипом способа для измерения коэффициента взаимной диффузии молекул газообразных паров жидкости и внешнего газа.

Решение указанной технической задачи достигается тем, что диффузионную ячейку в виде прозрачной тонкостенной трубки небольшого диаметра (капиллярной трубки), схема которой показана на фиг. 1, частично заполняют жидкостью 1. Один конец капиллярной трубки 2 открыт во внешнюю однородную газовую среду (атмосферный воздух или специальный эталонный газ - стандартный образец с установленными значениями состава), а другой конец плотно закрыт подвижным поршнем 3. Заполнение капиллярной трубки производят погружением свободного ее конца в жидкость, которая всасывается в нее перемещением поршня 3 с помощью штока 4. Вся система укреплена на крепежной трубчатой арматуре 5. После наполнения капиллярной трубки жидкостью воздух полностью удаляют из нее, а поршень плотно закрывает внутренний ее конец. Диаметр d капиллярной трубки может составлять величину от нескольких десятых долей миллиметра до миллиметра и не влияет на результат измерений.

При испарении молекулы жидкости, покидая ее поверхность, преодолевают расстояние до открытого конца путем диффузии в смеси паров и молекул внешней газовой среды, заполняющей свободное от жидкости пространство капиллярной трубки. Вблизи поверхности жидкости пар является насыщенным, его парциальное давление pн максимально для данной температуры, которое известно и является табличным. На открытом конце капиллярной трубки парциальное давление пара равно p0. После установления стационарного потока измеряют расстояние х поверхности мениска жидкости от свободного конца капилляра в зависимости от времени t измерения. Решение описывающего процесс диффузии уравнения Фика с учетом одинаковости диффузионного потока в любом сечении трубки позволяет применительно к рассматриваемой задаче установить зависимость x2(t), которая имеет линейный вид:

где х0 - начальное расстояние мениска от свободного конца капилляра при t=0;

D - искомый коэффициент взаимной диффузии;

ρж - плотность исследуемой жидкости;

µ - ее молярная масса;

R=8,31 Дж/(моль·К) - универсальная газовая постоянная;

Т - абсолютная температура в Кельвинах;

pн-p0 - разность парциальных давлений пара соответственно на поверхности жидкости внутри капиллярной трубки и во внешнем исследуемом газе вблизи его свободного конца при температуре измерения.

Процесс диффузии наблюдают в микроскопе, в поле зрения которого имеется изображение масштабной линейки и калибровочной шкалы для измерения положения мениска жидкости относительно свободного конца капиллярной трубки.

Из формулы (1) следует, что зависимость x2(t) (фиг. 2) является линейной с постоянным угловым коэффициентом , который может быть найден из наклона графика.

Из вышесказанного следует, что коэффициент взаимной диффузии может быть вычислен по формуле:

Техническим результатом предлагаемого способа является его простота, т.к. не требуется средств измерения концентрации молекул или плотности (давления) газа и паров, высокая точность измерения D. Последняя обусловлена точно определенными граничными условиями: на поверхности жидкости с координатой x пар является насыщенным, его парциальное давление pн равно известной табличной величине при данной температуре, на открытом конце капилляра с x=0 парциальное давление пара также известно или может быть точно измерено.

Пример. При исследовании зависимости x2(t) для системы вода - атмосферный воздух получена прямая, изображенная на фиг. 2. Температура воздуха T=298,7 K. Особенностью данной системы является наличие паров воды в атмосфере. Относительная влажность воздуха составляла φ=40%. Атмосферное давление p=1,013·105 Па. При данной температуре парциальное давление насыщенного пара pн=3264,4 Па, а парциальное давление водяного пара в атмосфере p0=φ·pн/100%=1305,8 Па. Полученное значение коэффициента взаимной диффузии молекул паров воды в атмосфере составило величину D=(2,31±0,04)·10-5 м2/с. При обработке результатов методом наименьших квадратов коэффициент корреляции равен r=0,9998, что подтверждает справедливость формулы (1). Оценка погрешности определения коэффициента диффузии произведена по формуле Бартлета при доверительной вероятности 0,9. Аналогичные измерения можно провести при изучении диффузии паров воды в осушенном эталонном газе, специально приготовленном стандартном образце известного состава с p0=0. Для паров других жидкостей, таких как этиловый и другие спирты, ацетон, бензол и др. в воздухе или в эталонном газе, парциальное давление пара во внешнем газе p0=0. Поэтому во всех указанных случаях pн-p0=pн.

Предлагаемый способ имеет промышленную значимость, т.к. может послужить основой для создания измерительной аппаратуры, предназначенной для научных и учебных целей.

Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов, заключающийся в том, что частично заполняют жидкостью диффузионную ячейку в виде прозрачной капиллярной трубки, плотно закрытой с одного конца и открытой с другого, отличающийся тем, что молекулы жидкости, испаряясь с ее поверхности, диффундируют к открытому концу, подчиняясь уравнению, согласно которому разность квадратов расстояния поверхности жидкости от свободного конца x 2 x 0 2 (в момент t>0 от начала измерения и в начальный момент t=0 соответственно) пропорциональна t, определяют коэффициент пропорциональности k из графика этой зависимости и вычисляют искомый коэффициент взаимной диффузии по формуле:
,
где ρж - плотность жидкости;
R - универсальная газовая постоянная;
Т - абсолютная температура;
p0 - парциальное давление пара во внешнем газе;
pн - парциальное давление насыщенного пара вблизи поверхности исследуемой жидкости при данной температуре T.



 

Похожие патенты:

Изобретения могут быть использованы в коксохимической промышленности. Способ производства кокса включает формирование смеси углей путем смешения двух или более типов угля и карбонизацию указанной смеси углей.
Изобретение относится к способам изучения поверхностных явлений. Из меди и серебра изготавливают электроды, приводят их в контакт с раствором электролита, осуществляют предварительный электролиз с чередованием анодного окисления и катодного восстановления поверхности металла, регистрируют зависимость производной поверхностного натяжения по поверхностной плотности заряда от потенциала электрода, сопоставляют указанные зависимости, полученные на меди и серебре, отмечают в качестве их общих признаков участок ступенчатого спада в анодном направлении, убывание протяженности ступеней вдоль оси потенциала.

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей и может найти применение в различных отраслях промышленности, например в нефтегазовой, химической, лакокрасочной и пищевой.

Использование: для исследования процессов массопереноса и для определения коэффициентов диффузии растворителей в изделиях из ортотропных капиллярно-пористых материалов в строительной, химической и других отраслях промышленности.

Изобретение направлено на высокоточное измерение коэффициентов диффузии горючих газов в азоте или иных инертных газах в широком температурном диапазоне посредством кислородпроводящего твердого электролита.

Изобретение относится к микробиологии и может быть использовано для количественной оценки способности микроорганизмов к биопленкообразованию на различных биотических и абиотических поверхностях.

Изобретение относится к гироскопическим устройствам. Может быть преимущественно использовано для исследования поверхностных явлений смачивания и растекания при нагреве в вакууме и инертной или активной газовых средах. Самогоризонтируемое устройство включает корпус 1, выполненный из керамики, молибдена или стали, в верхней части которого установлен промежуточный элемент 2, выполненный из такого же материала, что и корпус 1 или отличающийся от него, закрепленный двумя стержнями 3 к стенке корпуса 1, самогоризонтируемый столик 4, выполненный из такого же материала, что и корпус 1 или отличающийся от него, в нижней части которого расположен массивный груз 5, который может быть выполнен съемным и соединяться через соединительный стержень 6; самогоризонтируемый столик 4 закреплен двумя стержнями 7 в промежуточном элементе 2, причем стержни 3 и 7 расположены взаимно - перпендикулярно друг другу.

Изобретение относится к области поверхностных явлений и может быть использовано для оценки свойств жидкостей, различных поверхностей и свойств веществ в разных отраслях промышленности и в том числе в нанотехнологиях и порошковой металлургии.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при исследовании процессов массопереноса в капиллярно-пористых материалах для определения коэффициентов диффузии влаги в строительных материалах и конструкциях, а также в пищевой, химической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам определения аэрационной способности пенообразователей, используемых в технологии пенобетонов, и может быть использовано для оценки эффективности использования пенообразующих добавок, корректировки рецептуры пенобетонных смесей. Способ определения аэрационного потенциала пенообразователей, используемых в технологии пенобетонов, включает приготовление рабочего раствора пенообразователя, измерение температуры рабочего раствора пенообразователя и приготовление пены.

Изобретение относится к области исследования горных пород. Техническим результатом является получение дополнительной информации о свойствах нефтеводонасыщенных пород-коллекторов нефти с помощью стандартного петрофизического оборудования. Способ заключается в том, что экстрагированный и высушенный образец керна горных пород предварительно насыщают пластовой водой или моделью пластовой воды под вакуумом и определяют начальное количество воды в порах образца, затем образец центрифугируют в стандартной корзине для замещения воды воздухом с разными угловыми скоростями в диапазоне от минимального числа оборотов центрифуги до числа оборотов, обеспечивающих создание остаточной водонасыщенности в образце, фиксируют минимально достигнутую водонасыщенность при каждом значении скорости вращения ротора центрифуги в указанном диапазоне, определяют вес образца с остаточной водонасыщенностью и строят кривую капиллярного давления, по которой определяют вероятностное распределение дренируемых пор по размерам, после чего образец керна с остаточной водой насыщают нефтью или изовискозной моделью нефти под вакуумом, определяют количество углеводородов в порах образца, центрифугируют образец в инвертной корзине для замещения углеводородов жидким вытесняющим агентом с разными угловыми скоростями в диапазоне от минимального числа оборотов центрифуги до числа оборотов, обеспечивающих создание остаточной нефтенасыщенности, фиксируют минимально достигнутую нефтенасыщенность при каждом значении скорости вращения ротора центрифуги в указанном диапазоне и строят капиллярную кривую пропитки, по которой путем дифференцирования площадей распределения дренируемых пор находят распределение размеров пропитанных вытесняющим агентом пор, по которому строят зависимость расчетного значения cos краевого угла смачивания в зависимости от размера пор, на полученной зависимости фиксируют точку перегиба, относительно которой ранжируют области углеводородов на удерживаемые капиллярными силами и силами адсорбции. 4 ил.

Изобретение относится к области физики твердого тела и предназначено для исследования электронной структуры поверхности металлов. Образец твердого металла приводят в контакт с ионной жидкостью, подводят к ионной жидкости дополнительный электрод, задают с его помощью потенциал образца относительно электрода сравнения, через границу образца с ионной жидкостью пропускают переменный ток фиксированной амплитуды с заданной частотой, регистрируют называемую эстансом производную поверхностного натяжения твердого металла по поверхностной плотности заряда твердого металла, изменяют поверхностную плотность заряда твердого металла путем изменения потенциала образца со временем и получают таким путем осциллограммы эстанса с непрерывной разверткой потенциала в анодном направлении, а также с зигзагообразной разверткой также в анодном направлении, в интервале потенциала, пройденном зигзагообразной разверткой, находят область обратимости эстанса и в этой области на осциллограмме с непрерывной разверткой находят одну или несколько волн эстанса, найденные волны эстанса рассматривают как результат исключения электронных зон поверхности металла по мере уменьшения отрицательного заряда поверхности металла, при этом количество найденных волн эстанса считают равным количеству исключенных электронных зон поверхности металла. 13 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к области исследования смачиваемости поверхностей, применительно к различным отраслям промышленности, а также для обоснования рабочей концентрации смачивателей, используемых для тушения пожаров. Предлагаемое изобретение также относится к области измерительной техники, связанной с исследованием смачивания пористых материалов водными растворами. Способ определения смачивающей способности водными растворами твердых пористых материалов путем измерения капиллярного давления смачивания включает исследуемую пористую ткань и водный раствор поверхностно-активного вещества. При этом с целью измерения капиллярного давления измерение проводят компенсацией давления смачивания, которое возникает при соприкосновении герметичной емкости с пористым фильтром, к которой прижимают исследуемую ткань или другой пористый материал. Причем величину капиллярного давления смачивания определяют по водяному манометру, изменяя положение штока в шприце, в воздушную линию которого подключен водяной манометр, а процесс прижатия исследуемой ткани к измерительному пористому фильтру происходит за счет синхронного движения плунжеров двух шприцев, соединенных гибкой трубкой, заполненной водой. Техническим результатом является простота определения смачивающей способности водными растворами твердых пористых материалов, а также отсутствие применения специальных устройств.2 ил.
Наверх