Теплопроводность неводных растворов солей щелочных и щелочноземельных элементов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.14, кандидат технических наук Багаева, Татьяна Васильевна

• Багаева, Татьяна Васильевна
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Багаева, Татьяна Васильевна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РАСЧЕТОВ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

1.1. Основные понятия и определения. Основной закон теплопроводности

1.2. Физический смысл коэффициента теплопроводности.

1.3. Теплопроводность газов и жидкостей.

1.3.1. Теплопроводность газов.

1.3.2. Теплопроводность жидкостей.

1.4. Об уравнениях для расчета теплопроводности жидкостей.

1.5. Основные методы экспериментальные определения теплопроводности жидкостей.

1.5.1. Стационарные методы определения теплопроводности растворов электролитов.

1.5.2. Нестационарные методы определения теплопроводности растворов электролитов.

1.5.3. Обзор методов определения теплопроводности растворов электролитов.

Глава 2. МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1. Разработка устройств для определения теплопроводности.

2.1.1. Установка для определения коэффициента теплопроводности тары.

2.1.2. Установка для определения теплопроводности парафинированной бумаги для завертки конфет. 50.

2.1.3. Установка для определения теплопроводности бумаги для упаковки масленичных культур.

2.1.4. Установка для определения теплопроводности стеклянной тары.

2.2. Методы и оборудование для определения теплопроводности неводных растворов электролитов.

2.2.1. Сбор экспериментальной установки.

2.2.2. Устройство датчика-преобразователя.

2.2.3. Поверка датчика-преобразователя на неоднородность.

2.2.4. Методика проведения эксперимента.

2.2.5. Основное расчетное уравнение для определения коэффициента теплопроводности.

2.2.6. Постоянная датчика-преобразователя.

2.2.7. Проверка экспериментальной установки.

2.3. Объекты исследования.

2.3.1. Характеристики химических соединений.

2.3.2. Очистка химических соединений.

2.3.3. Подготовка растворов.

Глава 3. МОДЕЛЬ ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ НЕВОДНЫХ РАСТВОРОВ В РАМКАХ ПЛАЗМОПОДОБНОЙ

ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ.

3.1. Модель оценки коэффициента теплопроводности неводных растворов электролитов.

3.2. Плазмоподобная теория подвижности ионов в растворах электролитов.

3.3. Электростатическая концепция ион-дипольного взаимодействия и оценка характеристик (сольватных чисел, масс и размеров) сольватиро-ванных ионов.

3.4. Дебаевский радиус или параметр экранирования.

Глава 4. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ НЕВОДНЫХ РАСТВОРОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ (ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ И ЭКСПЕРИМЕНТ).

4.1. Теплопроводность электролитов I-I, П-1,1-П в спиртах.

4.1.1. Изменение теплопроводности индивидуальных электролитов I-I, III, I-II в спиртах от характеристик растворителя.

4.1.2. Изменение теплопроводности индивидуальных электролитов в спиртах от характеристик ионов.

4.1.3. Влияние иона электролита на теплопроводность.

4.1.4. Температурная зависимость теплопроводности индивидуальных электролитов в спиртах.

4.1.5. Зависимость теплопроводности от концентрации электролитов в спиртах.

4.2. Обсуждение результатов.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Теплопроводность неводных растворов солей щелочных и щелочноземельных элементов»

Актуальность темы. Исследование теплопроводности жидкостей представляет большой практический и научный интерес. Данные по теплопроводности, являясь фундаментальными справочными величинами, необходимы при теплотехнических расчетах различных физико-химических процессов. Кроме того, знание теплопроводности способствует развитию общей теории жидкого состояния, одним из основных вопросов которой является вопрос о характере теплового движения молекул жидкости. В настоящее время накоплен обширный теоретический и экспериментальный материал по теплопроводности чистых жидкостей; достаточно активно изучались смеси различных жидкостей, проводились исследования теплопроводности водных растворов электролитов. В последние годы обнаружился интерес к изучению теплопроводности неводных растворов электролитов.

Неводные растворы индивидуальных электролитов широко используются в электротехнике, силикатной, стекольной, химической, металлургической промышленности, в медицине и ядерных технологиях. Уровень развития промышленности характеризуется не только объемом производства и ассортиментом выпускаемой продукции, но и показателями её качества. Показателями качества продукции в числе других технических характеристик являются и их те-плофизические и термодинамические свойства.

Для совершенствования и оптимизации технологических процессов необходимы научно обоснованные инженерные расчеты, которые нуждаются в информации о теплофизических и термодинамических свойствах рабочего вещества в широкой области изменения параметров состояния. Использование ориентировочных или даже приближенных данных по свойствам веществ в инженерных расчетах приводит к существенному снижению их технико-экономических показателей, так как многие технологические процессы в промышленности осуществляются при подводе и отводе теплоты.

Растворы электролитов являются удобной моделью для исследования и моделирование различных свойств систем зарядов, поскольку у них имеется 5 возможность изменения внешних параметров, таких как температура и концентрация, в широком диапазоне изменения этих величин. В отличие от газовой плазмы, достаточно неустойчивой, и твердотельной плазмы, где изменение концентрации носителей тока ограничено, растворы электролитов позволяют моделировать различные процессы диссипативных явлений (электропроводность, диффузия, вязкость, теплопроводность) в рамках плазмоподобной теории как основных параметров гидродинамики. Они являются весьма удобными объектами для исследования систем зарядов в целом.

Растворы электролитов в органических растворителях по своим свойствам (диэлектрической постоянной, дипольного момента, энергии межмолекулярных взаимодействий) значительно отличаются от таковых в воде. Они представляют значительный интерес для развития теории процессов переноса энергии в растворах и имеют большое актуальное значение в энергетике, химической промышленности и т.д.

Цель и задачи исследований. Целью работы является применение модифицированной теоретической модели оценки коэффициента теплопроводности в неводных растворах электролитов в широком диапазоне изменения концентраций и температур с учетом характеристик отдельных сольватированных ионов и свойств растворителя в приближении ионной плазмы и установление закономерностей изменения теплопроводности неводных растворов электролитов в зависимости от состава и температуры.

Достижение поставленной цели потребовало решения следующих задач:

- модифицировать и применить теоретическую модель для расчета коэффициента теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов, основанной на использовании: а) подвижности в рамках плазмоподобного состояния ионов в растворах электролитов с учетом силы сопротивления среды; б) сольватных чисел, масс и радиусов сольватированных ионов в неводных растворах на основе электростатической концепции ион-дипольного взаимодействия; в) параметра экранирования сплошной конденсированной фазы - зату ния колебаний, вызванных процессом диссоциация-ассоциация сольватирован-ных ионов;

- получить экспериментальные значения коэффициента теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов в диапазоне температур 288. 323 К и концентраций 0,0001. 1 моль/л;

- исследовать зависимость отдельных характеристик сольватярованных ионов от свойств растворителя;

- установить закономерности изменения концентрационной и температурной зависимостей теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов.

- оценить влияние ионов электролита и различных растворителей на теплопроводность неводных растворов индивидуальных электролитов.

Методы исследования. Для решения приведенных выше задач потребовалось использование методов квантовой механики, термодинамики, электро динамики, гидродинамики с привлечением физико-химических параметров ио нов (кристаллохимических радиусов ионов, их масс), а также свойств раствори телей (диэлектрических проницаемостей, энергии межмолекулярных взаимо действий в растворителях и т.д.) в приближении ионной плазмы.

V*

С целью сравнения и подтверждения теоретически оцененных значен получены экспериментальные значения коэффициента теплопроводности в неводных растворах индивидуальных электролитов на ранее разработанной и ал робированной установке для водных растворов индивидуальных и смешанных электролитов.

Научная новизна работы. Показана применимость модернизированной теоретической модели для оценки, коэффициента теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов с учетом колебательного режима процесса диссоциация-ассоциация, силы сопротивления среды сольватирован ным ионам и расстояния, на котором возмущение от колебаний сольватнои оболочки экранируется сплошной диэлектрической средой, в большой диапа зоне концентраций и температур.

Впервые по теоретической модели определены теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов I-I, II-I, 1-Й (например, КВг, Na2SC>4, MgCl2) в широком интервале изменения концентраций и температур на основе расчетных значений сольватных чисел, масс и радиусов сольватирован-ных ионов в спиртовых растворах.

Установлены закономерности изменения концентрационной и температурной зависимостей теплопроводности растворов индивидуальных электролитов в нормальных спиртах.

Практическая значимость. Впервые полученные теоретические и экспериментальные данные по теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов I-I, II-I, 1-Й могут быть использованы:

- при расчетах процессов и параметров оборудования в различных отраслях науки и техники - энергетике, химической, нефтеперерабатывающей промышленности и т.п.;

- для пополнения банков данных и баз данных о теплопроводности неводных растворов электролитов;

- для прогнозных оценок теплопроводности электролитов в органических растворителях.

Результаты исследований свойств электролитных систем и установленные закономерности позволят целенаправленно подбирать электролиты и растворители для приготовления жидкофазных материалов и применения их в технологическом контроле различных химических предприятий, а также для расчета параметров теплопроводящих узлов, агрегатов и отдельных конструкций.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Модифицированная теоретическая модель для оценки теплопроводности неводных растворов электролитов в широком диапазоне изменения концентраций и температур, в базис которой положены характерные свойства и параметры органических растворителей.

2. Применимость теоретической модели к спиртовым растворам электролитов.

3. Результаты экспериментальных и расчетно-теоретических исследований теплопроводности неводных растворов солей щелочных и щелочноземельных металлов и иона аммония в диапазоне температур 288.323 К и концентраций 0,0001. 1 моль/л.

4. Обоснование различного влияния свойств растворителей (диэлектрической проницаемости, энергии межмолекулярных взаимодействий, радиуса молекулы) на теплопроводность электролитов.

Личный вклад:

- Разработка, проектирование и создание экспериментальных установок для измерения теплопроводности твердых материалов.

- Расчетно-теоретические исследования теплопроводности неводных растворов электролитов.

- Экспериментальное определение теплопроводности неводных растворов электролитов.

Достоверность научных положений, результатов и выводов обеспечивается согласованностью теоретических результатов теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов с собственными экспериментальными данными. Результаты измерений обрабатывались с применением известных методов математической статистики.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и региональных конференциях: Всероссийская научная конференция студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2008 г.); Международная научно-техническая конференция «Наука и образование - 2008» (г. Мурманск, 2008 г.); IV Международный форум «Актуальные проблемы современной науки» (г. Самара, 2008, 2009 гг.); Международная научно-практическая Интернет - конференция «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, 2009 г.); XVI Международная молодежная конференция «Ломоносов 2009» (г. Москва, 2009 г.); Международная научная конференция (Доминиканская Республика, 2011 г.); Научно-практические конференции преподавателей, научных сотрудников и аспирантов ВСГТУ (г. Улан-Удэ, 2008 - 2011 гг.)9

Публикации. По результатам выполненной работы опубликовано 19 работ, из них 2 статьи в реферируемых журналах, и получены 4 патента на полезную модель.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка использованной литературы, включающего 139 наименований. Работа изложена на 138 страницах машинописного текста, иллюстрирована 21 рисунком, 30 таблицами и 3 приложениями.

Заключение диссертации по теме «Теплофизика и теоретическая теплотехника», Багаева, Татьяна Васильевна

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ

1. Установлена применимость модифицированной теоретической модели для получения расчетных данных по теплопроводности в диапазоне температур 288. .323 К и концентраций 0,0001. 1 моль/л, учитывающей: а) подвижность ионов в рамках плазмоподобного состояния ионов в растворах электролитов с учетом силы сопротивления среды; б) сольватные числа, массы и радиусы сольватированных ионов в неводных растворах на основе электростатической концепции ион-дипольного взаимодействия; в) параметр экранирования сплошной конденсированной фазы - затухания колебаний, вызванных процессом диссоциация-ассоциация сольватированных ионов.

2. Впервые теоретически оценены и экспериментально определены теплопроводность неводных растворов индивидуальных электролитов 1-1, П-1, 1-П в широких диапазонах температур и концентраций. Исследовано 96 систем и получено 3456 расчетных-данных и 480 экспериментальных данных по теплопроводности, которые могут найти применение при разработке конструкций тепловых установок в химической промышленности.

3. Выполнен анализ температурной и концентрационной зависимостей теплопроводности неводных растворов индивидуальных электролитов.

4. Показано влияние различных катионов и анионов с одинаковым противо-ионом на теплопроводность.

5. Установлено влияние индивидуальных свойств растворителей на теплопроводность растворов электролитов 1-1, П-1,1-П в широких диапазонах температур и концентраций.