氦-3的输运性质及氦-3/氦-4混合物的热物理性质研究

论文摘要

氦-3是自然界极其稀少的贵重气体,但是由于其独特的物理性质却使它可在诸多领域获得重要应用,因此全面认识氦-3的热物理性质显得尤为重要。氦-3的热力学状态性质的研究已有公开发表,而另一类输运性质尽管在过去的五十多年中已进行了诸多的实验测量,但尚缺乏面向工程应用的宽温度和压力范围内的完整体系研究。本文基于前人工作,最终对氦-3的输运性质研究进行了全面完善的总结性研究。考虑到氦-3在某些特殊场合经济实用性,本文提出利用氦-3/氦-4混合物来替代氦-3,氦-3/氦-4混合物的物性的研究工作意义就在此。针对上述两方面的现状和需求,本文开展了以下工作:第一,氦-3输运性质实验数据分析及方程研究。本文全面调研了大量关于氦-3运性质实验测量值和理论计算值,包括表面张力、热导率和粘度。对这些文献进行统一的处理形成了可编辑查找的电子参考数据库。对于实验数据进行了单位制和温标转换、数据筛选和权重分配。分别考察了表面张力、热导率和粘度与温度和压力关系。发展了绝对零度至临界点温度3.3157 K宽温区范围内氦-3表面张力与温度的依赖关系方程。对于热导率和粘度,充分利用20K以下温区经收集整合处理的实验数据,连同20 K以上温区由量子对应态方法预测的参考数据,采用,发展了适用于3 mK - 300 K,压力至20 MPa范围内的切比雪夫多项式形式的热导率和粘度方程。发展的热导率和粘度方程的精度均在测量的不确定范围之内,足以供工程上使用。第二,3He-4He混合物气液两相区热力学性质研究。3He-4He混合物具有超流转变和相分离特性,因此相图较常规混合流体复杂,本文在实验数据的基础上,采用方程的形式构建了3He-4He混合物在饱和蒸汽下的相图;总结了3He-4He混合物露点和泡点线上密度和压力以及饱和比热的研究工作。采用样条差值的方法获得泡点压力与温度和组分的关系;通过仅有的临界点实验数据,确立了任意组分的临界参数;在对实验数据筛选和整理的基础上发展了泡点密度方程,同时给出了饱和比热与温度的关系方程。第三,3He-4He混合物状态方程研究。介绍了3He-4He混合物压缩液体区的相图及2.5-4.5 K时液体区状态方程,并结合实验数据发展了4.5-14 K气相区的状态方程。该方程采用改进的B-W-R方程形式结合线性混合法则拟合而成,方程的精度一般在2%以内,在临界区偏差为6%。考虑到20 K时3He、4He密度的差异很小,基本在1%左右,而且从实验数据上已近接近理想气体的状态方程,因此采用线性插值的方法获得了20-300 K时3He-4He混合物p-V-T数据,结合状态方程绘制了2.5-300 K,压力至2.5 MPa时,氦-3浓度为0.2,0.4,0.5,0.6和0.8共5个组分3He-4He混合物ρ-T图。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号与标记
• 第一章 绪论
• 1.1 研究概要
• 1.2 氦-3、氦-4 的基本性质对比
• 3He-⁴He 混合物在低温领域的应用'>1.3 氦-3 以及³He-⁴He 混合物在低温领域的应用
• 1.4 本章小结
• 第二章 氦-3 的输运性质研究
• 2.1 表面张力研究
• 2.1.1 氦-3 表面张力的研究现状
• 2.1.2 氦-3 的表面张力方程
• 2.2 氦-3 热导率研究
• 2.2.1 氦-3 的导热率研究总结
• 2.2.2 量子对应态原理
• 2.2.3 氦-3 热导率方程
• 2.3 氦-3 粘度研究
• 2.3.1 氦-3 粘度实验研究
• 2.3.2 氦-3 气液相平衡曲线粘度方程
• 2.3.3 氦-3 的粘度方程
• 2.4 本章小结
• 3He-⁴He 混合物气液两相区性质研究'>第三章³He-⁴He 混合物气液两相区性质研究
• 3He-⁴He 饱和液体相平衡关系'>3.1³He-⁴He 饱和液体相平衡关系
• 3He-⁴He 混合物相图上的λ线'>3.1.1 液态³He-⁴He 混合物相图上的λ线
• 3.1.2 饱和蒸气压下的相分离现象
• 3He-⁴He 混合溶液相图上的三临界点'>3.1.3³He-⁴He 混合溶液相图上的三临界点
• 3He-⁴He 混合物全局相图研究及特性分析'>3.3.4 饱和蒸气压下的³He-⁴He 混合物全局相图研究及特性分析
• 3He-⁴He 临界性质'>3.2³He-⁴He 临界性质
• 3He-⁴He 混合物的蒸气压研究'>3.3³He-⁴He 混合物的蒸气压研究
• 3.3.1 3He 和4He 各自的饱和蒸气压性质
• 3He-⁴He 混合物的蒸气压研究'>3.3.2³He-⁴He 混合物的蒸气压研究
• 3He-⁴He 蒸气压方程研究'>3.3.3³He-⁴He 蒸气压方程研究
• 3He-⁴He 混合物的饱和密度研究'>3.4³He-⁴He 混合物的饱和密度研究
• 3.4.1 3He 和4He 各自的饱和密度性质
• 3He-⁴He 混合物饱和密度的研究'>3.4.2³He-⁴He 混合物饱和密度的研究
• 3He-⁴He 混合物饱和密度方程'>3.4.3³He-⁴He 混合物饱和密度方程
• 3.5 混合物饱和比热
• 3.5.1 饱和比热容实验研究
• 3He-⁴He 混合物饱和比热容对比'>3.5.2 3He、4He 及³He-⁴He 混合物饱和比热容对比
• 3He-⁴He 混合物饱和比热容实验分布及方程研究'>3.5.3³He-⁴He 混合物饱和比热容实验分布及方程研究
• 3.6 本章小结
• 3He-⁴He 混合物状态方程研究'>第四章³He-⁴He 混合物状态方程研究
• 4.1 混合法则
• 4.2 液体区状态方程研究
• 4.3 气体区状态方程研究
• 3He-⁴He 混合物状态方程'>4.3.1³He-⁴He 混合物状态方程
• 4.3.2 结果及分析
• 3He-⁴He 高温气体区p-V-T 性质探讨'>4.3.3³He-⁴He 高温气体区p-V-T 性质探讨
• 4.4 几个主要热物理量的计算
• 4.5 发展全局状态方程的探讨
• 4.6 本章小结
• 第五章 全文总结
• 5.1 全文总结
• 5.2 工作展望
• 5.2.1 补充氦-3 输运性质的实验数据
• 3He-⁴He 混合物在14 K、2.5MPa 之上温区的p-V-T 实验测量'>5.2.2 开展³He-⁴He 混合物在14 K、2.5MPa 之上温区的p-V-T 实验测量
• 3He-⁴He 混合物状态方程的研究'>5.2.3 完善³He-⁴He 混合物状态方程的研究
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文、申请专利
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书