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氮气的高温热力学性质研究

返回列表 来源:未知 发布日期:2019-10-24 16:06【
引 言

在航空技术、大气物理及高超音速空气动力学 等领域中,需要更加准确可靠的高温空气热力学 参 数,而 高 温 实 验 与 高 温 测 量 迄 今 仍 然 十 分 困 难.氮气作 为 大 气 的 主 要 成 分,它 不 仅 在 大 气 现象(极光和 大 气 光)中起着决定性作用,而 且 在许多重要技 术 中 被 广 泛 应 用,因 此 不 少 学 者 对 氮气的各种 属 性 进 行 了 持 续 研 究,如 张 科 等利 用飞秒强激光 场 的 作 用,对氮分子的光电离进行 了研究.在 国 防 科 技 领 域,当 导 弹、火 箭、高 超 音 速飞行器以极 高 速 度 在 大 气 中 飞 行 时,飞 行 器 周根据分子光 谱 数 据,能 够 以 很 高 的 精 确 度 预 测各种气体 的 热 力 学 物 理 量 的 数 值 .而 对 高 温 氮气的热力学 性 质 进 行 系 统 研 究,不 仅 对 基 础 科 学,还对航天技术、军事和民用等应用方面都有很 重要的意义 .北京中惠普分析技术研究所根 据 配 分 函 数 的 定 义,转 动 配分函数采用 非 刚 性 振 动 转 子 近 似,振 动 配 分 函 数采 用 非 谐 振 子 近 似,利用氮分子光谱常数,对 氮气在100~6000K 范围内的各热力 学 性 质 进 行 了较全面地研究.

 配分函数

在理想气体 情 形 中,分 子 的 内 部 运 动 与 外 部 运动(平动)是相互独立的,所以配分函数(Q ) 可分离为平动配分函数(Qt )与内配分函数(Qint ) 之积: Q=QtQint。对于双原子分 子 的 离 解 温 度 Td一 般 在104 ~ 105 K 之间,在Td的条件下,离解的分子数很 少,可 以 不 予 考 虑,并且核态未被激发而处在基 态,故电子的配分函数Qe =1和核自旋配分函数Qns =1.因此,氮气内配分函数的精确计算主 要取决于分子的振动(Qv )、转 动(Qr )配 分 函 数 的精确度.

氮气的热力学性质研究

对氮气的热力学性质,主要从内能、焓、等压热容、熵和吉布斯自由能等方面进行讨论.转动项对热容Cp的贡献近似等于 气体常数R 的值,但随着温度升高有缓慢减小的 趋势.而振动项在较低温度时对热容Cp的贡献很 小.如 在 500K 时 仅 有 0.46J/mol,但 在 500~ 3000K 范围内,振动热容随温度的升高而迅速增 大.所计算 的 振 动 热 容 与 的 结 果 非 常 一 致,如表1所示.当温度高于3000K 时,振动热 容随温度升高变大的趋势很缓慢,近似趋于常数。在100~1000K 范 围 内,温 度 对 熵 的 平 动 和 转动部分有较大影响,而振动的贡献很小,可以近 似忽略.如温度 在500K 时,平动和转动部分分 别是161.05J/mol和 45.47J/mol,而 振 动 部 分 是0.079J/mol.当温度高于1000K 时,温度对振 动部分的影响不可忽略.

结 论

北京中惠普根据配分函数和统计力学相关知识,将 分子的转动视为非刚性振动转子和振动视为非谐 振子,建立了氮气分子准确的配分函数和相关的各热力学函数.在100~6000K 内,利用中惠普氮气发生器制取氮气,氮分子光谱参数首次深入全面研究了氮分子的平动、振动和 转动分别对内能、焓、熵、吉布斯自由能、定压摩尔 热容等热力学 量 的 贡 献,以 及 各 热 力 学 量 与 温 度 的变化关系.根据理论推导和计算结果可知,氮分 子的转动对内能和焓的贡献在数值上是相等的.除 定压摩尔热容 外,振动对各热力学量的贡献相对 较小,尤其在温度低于500K 时,近似可以忽略. 所计算的结果 与 实 验 和 理 论 符 合 很 好,说 明 本 文 所采用的方法 正 确,计算的氮气的高温热力学 数 据准确可信.这不仅对今后进一步的理论研究和实 验观测提供一 定 的 理 论 参 考,而 且 在 军 事 应 用 等 方面也有很重要的作用