氦-3的輸運性質(zhì)及氦-3-氦-4混合物的熱物理性質(zhì)研究.pdf

1、氦-3是自然界極其稀少的貴重氣體，但是由于其獨特的物理性質(zhì)卻使它可在諸多領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用，因此全面認識氦-3的熱物理性質(zhì)顯得尤為重要。氦-3的熱力學狀態(tài)性質(zhì)的研究已有公開發(fā)表，而另一類輸運性質(zhì)盡管在過去的五十多年中已進行了諸多的實驗測量，但尚缺乏面向工程應(yīng)用的寬溫度和壓力范圍內(nèi)的完整體系研究。本文基于前人工作，最終對氦-3的輸運性質(zhì)研究進行了全面完善的總結(jié)性研究。考慮到氦-3在某些特殊場合經(jīng)濟實用性，本文提出利用氦-3/氦-4混合物來替

2、代氦-3，氦-3/氦-4混合物的物性的研究工作意義就在此。針對上述兩方面的現(xiàn)狀和需求，本文開展了以下工作：
　　第一，氦-3輸運性質(zhì)實驗數(shù)據(jù)分析及方程研究。本文全面調(diào)研了大量關(guān)于氦-3運性質(zhì)實驗測量值和理論計算值，包括表面張力、熱導率和粘度。對這些文獻進行統(tǒng)一的處理形成了可編輯查找的電子參考數(shù)據(jù)庫。對于實驗數(shù)據(jù)進行了單位制和溫標轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)篩選和權(quán)重分配。分別考察了表面張力、熱導率和粘度與溫度和壓力關(guān)系。發(fā)展了絕對零度至臨界點溫度3

3、.3157 K寬溫區(qū)范圍內(nèi)氦-3表面張力與溫度的依賴關(guān)系方程。對于熱導率和粘度，充分利用20K以下溫區(qū)經(jīng)收集整合處理的實驗數(shù)據(jù)，連同20 K以上溫區(qū)由量子對應(yīng)態(tài)方法預(yù)測的參考數(shù)據(jù)，采用，發(fā)展了適用于3 mK-300 K，壓力至20 MPa范圍內(nèi)的切比雪夫多項式形式的熱導率和粘度方程。發(fā)展的熱導率和粘度方程的精度均在測量的不確定范圍之內(nèi)，足以供工程上使用。
　　第二，3He-4He混合物氣液兩相區(qū)熱力學性質(zhì)研究。3He-4He混合物

4、具有超流轉(zhuǎn)變和相分離特性，因此相圖較常規(guī)混合流體復雜，本文在實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用方程的形式構(gòu)建了3He-4He混合物在飽和蒸汽下的相圖；總結(jié)了3He-4He混合物露點和泡點線上密度和壓力以及飽和比熱的研究工作。采用樣條差值的方法獲得泡點壓力與溫度和組分的關(guān)系；通過僅有的臨界點實驗數(shù)據(jù)，確立了任意組分的臨界參數(shù)；在對實驗數(shù)據(jù)篩選和整理的基礎(chǔ)上發(fā)展了泡點密度方程，同時給出了飽和比熱與溫度的關(guān)系方程。
　　第三，3He-4He混合物狀

5、態(tài)方程研究。介紹了3He-4He混合物壓縮液體區(qū)的相圖及2.5-4.5 K時液體區(qū)狀態(tài)方程，并結(jié)合實驗數(shù)據(jù)發(fā)展了4.5-14 K氣相區(qū)的狀態(tài)方程。該方程采用改進的B-W-R方程形式結(jié)合線性混合法則擬合而成，方程的精度一般在2％以內(nèi)，在臨界區(qū)偏差為6%?？紤]到20 K時3He、4He密度的差異很小，基本在1%左右，而且從實驗數(shù)據(jù)上已近接近理想氣體的狀態(tài)方程，因此采用線性插值的方法獲得了20-300 K時3He-4He混合物p-V-T數(shù)據(jù)，