Раздел: Естественные науки Разработка экспериментальной

Раздел: Естественные науки
Разработка экспериментальной установки для исследования диффузионных явлений в газах
Автор: Кайкин Иван Сергеевич, студент 3 курса УГТУ, г. Ухта
Научный руководитель: Лиджиев Борис Саранович, профессор кафедры
МСиС, канд. физ.-мат. наук, доцент, УГТУ, г. Ухта
Цель проекта.
Целью проекта являлось разработка, создание, сборка и монтаж установки
для изучения диффузионных явлений в газах.
Актуальность проекта.
Диффузионные газоанализаторы используются для измерения потоков химико-технологических процессов в нефтяной и газовой промышленности, для
измерения концентрации, в основном лёгких компонент в многокомпонентных
смесях, таких как водород, гелий и метан с применением датчиков теплопроводности. Кроме того, в учебном процессе в настоящее время нет простых,
наглядных опытов по изучению диффузии. Имеющиеся методы исследования
крайне сложны, круг изучаемых систем узок и ограничен легкими газами (гелий).
Новизна проекта.
Разработана оригинальная установка для изучения диффузионных явлений
с применением современных цифровых технологий. На устройство в виде капиллярной трубки получен патент на полезную модель (Лиджиев Б.С., ОчирГоряев В.П., Санджиев М.А. Диффузионная ячейка: Пат. на полезную модель
№146742
Рос.
Федерация,
№2014113054/28;
заявл.
03.04.2014;
опубл.
20.10.2014, Бюл. № 29. – 1с.: ил., заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО
«Ухтинский государственный технический университет»)
Идея проекта.
Идея проекта предложена на кафедре МСиС Ухтинского государственного
технического университета. Основу установки составляет диффузионная ячейка в виде прозрачной тонкостенной трубки небольшого диаметра (капиллярной
трубки), схема которой показана на рис. 1, частично заполняют жидкостью 1.
Один конец капиллярной трубки 2, открыт во внешнюю однородную газовую
среду, а другой конец плотно закрыт подвижным поршнем 3.
Рис.1. Диффузионная ячейка
Заполнение капиллярной трубки производят погружением свободного её
конца в жидкость, которая всасывается в неё перемещением поршня 3 с помощью штока 4. Вся система укреплена на крепежной трубчатой арматуре 5. После наполнения капиллярной трубки жидкостью, воздух полностью удаляют из
неё, а поршень плотно закрывает внутренний её конец. Диаметр d капиллярной
трубки может составлять величину нескольких десятых долей миллиметра и не
влияет на результат измерений.
При испарении молекулы жидкости, покидая её поверхность, преодолевают расстояние х до открытого конца путём диффузии в смеси паров и молекул
внешней газовой среды, заполняющей свободное от жидкости пространство капиллярной трубки. Процесс диффузии описывается первым законом Фика, решение которого позволяет установить зависимость х(t):
x 2  x02  2 D
(  н  0 )
ж
(1),
t
где х0 - начальное значение х при t = 0.
Из формулы (1) следует, что зависимость х2(t) является линейной с постоянным угловым коэффициентом k  2 D
(  н  0 )
ж
, который может быть найден из
наклона графика, отложенного в координатах х2 и t.
Коэффициент взаимной диффузии D вычисляется по формуле:
D
ж
k
2(  н  0 )
(2)
Значение плотности пара можно выразить через его давление из уравнения
Менделеева-Клапейрона. Получим:
D
 ж RT
2( pн  p0 ) 
 k (3)
Расчёты, проведённые по формулам (2) и (3) дают одинаковый результат.
Экспериментальная установка
Экспериментальная установка, представленная на рис. 2, имеет цифровой
микроскоп 1 с встроенной веб-камерой для наблюдения изображения диффузионной ячейки на мониторе компьютера. Микроскоп укреплён на подвижной
станине, способной перемещаться вверх-вниз по вертикали с помощью винта 2
для получения четкого изображения.
Рис. 2. Экспериментальная установка для изучения взаимной диффузии газов
Программа управления цифровым микроскопом позволяет выводить на
экран одновременно с изображением диффузионной ячейки 3 вертикальную и
горизонтальную линейки 4 с делениями для точного измерения расстояний в
поле зрения микроскопа. Диффузионная ячейка 5 вместе со всей своей конструкцией укреплена на подвижном держателе, положение которого может изменяться с помощью двух винтов 6 в горизонтальной плоскости для точного
вывода изображения на монитор.
Экспериментальные результаты
В качестве примера для демонстрации возможностей предлагаемой методики приведем результаты исследования зависимости х2(t) для системы вода атмосферный воздух. Полученная зависимость, в соответствии с формулой (1),
действительно является линейной, что подтверждается графиком х(t) на рис.3.
Полученное из измеренных данных значение коэффициента взаимной диффузии молекул паров воды и атмосферных газов составило величину:
D=(2,31±0,04)м2/с.
Рис. 3. График зависимости х2(t) при диффузии паров воды в воздухе.
Выполненная в работе разработка может найти применение как при выполнении научных и технологических исследований, так и в учебном лабораторном практикуме по физике при изучении явлений диффузии в вузах, средних специальных и общеобразовательных учебных заведениях в силу своей
простоты и наглядности.