RU2581512C1 - Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов - Google Patents
Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2581512C1 RU2581512C1 RU2014147968/28A RU2014147968A RU2581512C1 RU 2581512 C1 RU2581512 C1 RU 2581512C1 RU 2014147968/28 A RU2014147968/28 A RU 2014147968/28A RU 2014147968 A RU2014147968 A RU 2014147968A RU 2581512 C1 RU2581512 C1 RU 2581512C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- liquid
- molecules
- coefficient
- diffusion
- mutual diffusion
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials Using Thermal Means (AREA)
Abstract
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:
Description
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.
Claims (1)
- 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
,
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014147968/28A RU2581512C1 (ru) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2014147968/28A RU2581512C1 (ru) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2581512C1 true RU2581512C1 (ru) | 2016-04-20 |
Family
ID=56194867
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2014147968/28A RU2581512C1 (ru) | 2014-11-27 | 2014-11-27 | Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2581512C1 (ru) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2702135C1 (ru) * | 2018-11-23 | 2019-10-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева) | Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах |
CN113588496A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-02 | 青岛科技大学 | 一种用于低温临界温度分子扩散系数测量的专用Taylor装置 |
RU211681U1 (ru) * | 2021-06-22 | 2022-06-17 | Борис Саранович Лиджиев | Капиллярная ячейка жидкостного вискозиметра |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6338266B1 (en) * | 2000-04-05 | 2002-01-15 | Industrial Scientific Corporation | Method of identifying a gas and associated apparatus |
CN103926173A (zh) * | 2014-04-25 | 2014-07-16 | 西北核技术研究所 | 一种气体介质中分子扩散系数的测量装置及方法 |
RU146742U1 (ru) * | 2014-04-03 | 2014-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ухтинский государственный технический университет" | Диффузионная ячейка |
RU2548614C1 (ru) * | 2014-04-22 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте |
-
2014
- 2014-11-27 RU RU2014147968/28A patent/RU2581512C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6338266B1 (en) * | 2000-04-05 | 2002-01-15 | Industrial Scientific Corporation | Method of identifying a gas and associated apparatus |
RU146742U1 (ru) * | 2014-04-03 | 2014-10-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ухтинский государственный технический университет" | Диффузионная ячейка |
RU2548614C1 (ru) * | 2014-04-22 | 2015-04-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской Академии наук | Способ определения коэффициента диффузии горючих газов в азоте |
CN103926173A (zh) * | 2014-04-25 | 2014-07-16 | 西北核技术研究所 | 一种气体介质中分子扩散系数的测量装置及方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
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. и др., Под ред. А.Д. Гладуна, М., МФТИ, 2007. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2702135C1 (ru) * | 2018-11-23 | 2019-10-04 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Красноярский государственный педагогический университет им. В.П. Астафьева" (КГПУ им. В.П. Астафьева) | Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах |
RU211681U1 (ru) * | 2021-06-22 | 2022-06-17 | Борис Саранович Лиджиев | Капиллярная ячейка жидкостного вискозиметра |
CN113588496A (zh) * | 2021-08-10 | 2021-11-02 | 青岛科技大学 | 一种用于低温临界温度分子扩散系数测量的专用Taylor装置 |
CN113588496B (zh) * | 2021-08-10 | 2023-09-01 | 青岛科技大学 | 一种用于低临界温度分子扩散系数测量的专用Taylor装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Gatapova et al. | The temperature jump at water–air interface during evaporation | |
US9410935B2 (en) | Measurement process of minimum miscibility pressure (MMP) and critical points of a gas in crude oils or binary mixtures | |
RU2581512C1 (ru) | Способ определения коэффициента взаимной диффузии молекул газов | |
Abe et al. | Development of humidity standard in trace-moisture region: Characteristics of humidity generation of diffusion tube humidity generator | |
US6684685B2 (en) | Liquid extrusion porosimeter and method | |
RU146742U1 (ru) | Диффузионная ячейка | |
Fonseca et al. | Automated apparatus for gas solubility measurements | |
US9816951B2 (en) | Method for determining a volume thermal expansion coefficient of a liquid | |
Mohamed et al. | Design and validation of an automated hydrometers calibration system | |
Robinson et al. | Dilute Triton X-100 in water as a reference liquid for hydrometer calibration using Cuckow’s method | |
Østergaard et al. | Si-traceable water content measurements in solids, bulks, and powders | |
RU2702135C1 (ru) | Дифференциальный способ определения коэффициента диффузии молекул воды в газах | |
Kwon et al. | Reliability of thermal conductivity measurement of liquids by using transient hot-wire, photon-correlation spectroscopy and the laser flash method | |
RU2421700C1 (ru) | Способ определения негерметичности изделий | |
Ebrahimi-Birang et al. | Hysteresis of the soil water characteristic curve in the high suction range | |
Berg et al. | Aquaflux—a new instrument for water vapour flux density measurement | |
Moyls | Whole bag method for determining oxygen transmission rate | |
CN112014288A (zh) | 气驱水相渗评估方法、装置及系统 | |
Clark | Measurement of soil water potential | |
Almeida et al. | Performance studies in micropipette calibration | |
McDuffie et al. | Pressure Viscometer for Viscosities between 1 and 104 P | |
RU2441212C2 (ru) | Способ определения негерметичности изделий | |
RU2485487C1 (ru) | Способ определения удельной объемной теплоты сгорания горючего газа в бомбовом калориметре и устройство для заполнения калориметрической бомбы горючим газом | |
Wolf | Final report on the project Volume Determination in the Microlitre Range | |
Bae et al. | Evaluation of Measurement Uncertainty for Polymer Thin Film Humidity Sensor Using CMH and PRT Based on Dew Point Temperature Variation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20191128 |