一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法

摘要

本发明公开了一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，根据热力学一般关系式和热力学性质的基本定义，推导得到定压条件下微小温度变化与密度、比定容热容和比定压热容变化量之间的函数关系，在分别利用关于温度、压力和关于压力的函数关系式对通过文献调研或实验测量得到的定压条件下的音速和低温密度、比定容热容和比定压热容数据进行拟合关联后，在音速数据的温度范围内沿温度方向分步迭代计算得到高温密度、比定容热容和比定压热容及导出热力学性质。本发明仅需借助定压条件下的音速及低温密度、比定容热容和比定压热容数据，即可对高温密度、比定容热容、比定压热容及导出热力学性质进行计算，具有普遍适用、简单实用和精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明属于流体热力学性质理论计算领域，涉及一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法。

背景技术

流体的热力学性质主要用于描述物质的存在状态和物理性质，研究热物性学可以使人们从宏观和微观两个不同的角度更好的认识物质的组成和结构，推动能源动力、化工石油、生物医学等领域中理论研究和工程设计的发展。目前，流体热物性数据主要可以通过实验测量、理论计算和模拟计算三种途径获得。实验测量是热物性研究的重要基础，但在高温环境下通过实验手段测量这些性质可能难以实现且耗费巨大；而热力学性质的模拟计算主要依赖于研究物质的分子作用势能函数，其计算精度和适用性有待提高；理论计算基于热力学一般关系式和热力学性质的基本定义，通过建立预估方程和实验数据之间的联系得到热力性质相互关联的状态方程，具有普适性且计算精度较高。

音速反映了微弱压强扰动在物质中的传播速度，是建立状态方程的重要基础数据；密度和比热容是传热和做功过程中热计算所需的重要物理量；压缩系数、热膨胀系数等导出热力学性质在工业生产、运输及工程设计中发挥着重要作用。流体热力学性质的理论计算方法既丰富了热物性的测量手段，又可用于实验结果之间的相互印证。密度、比热容、导出热力学性质和音速之间存在内在联系，根据一般热力学关系式可以推导得到高压热力学性质的计算方法，基于定温条件下高压音速和常压密度、比热容数据即可计算出高压下的密度、比热容和导出热力学性质。虽然目前高温下的音速可以通过布里渊光散射等方法测量得到，但密度、比热容却难以在高温环境下实现精确测量，利用高压热力学性质计算方法无法对高温下的密度、比热容及导出热力学性质进行理论计算。

鉴于此，本发明的主旨在于，提出一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，借助定压条件下的音速和低温密度、比定容热容和比定压热容数据，实现高温密度、比定容热容、比定压热容及导出热力学性质的理论计算。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，以弥补现有高温热力学性质在实验测量方面的不足。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，包括以下步骤：

根据热力学一般关系式和热力学性质的基本定义，推导得到定压条件下微小温度变化与密度、比定容热容和比定压热容变化量之间的函数关系，将定压条件下温度微小变化所引起的物性变化量视为微分形式的线性函数变化，通过公式(1)～(3)分别得到温度步长ΔT所引起的密度、比定容热容和比定压热容变化量：

式中：ρ为密度；ΔT为迭代计算中的温度步长；Δρ为温度计算步长下的密度变化量；α

进一步的，通过文献调研或实验测量得到研究物质在压力为p、温度为T

进一步的，在音速数据的温度范围T

式中：ΔT为温度计算步长；T

进一步的，沿温度方向分步迭代计算得到压力为p、温度为T

ρ(T

c

c

式中：p为压力；ρ(T

进一步的，利用关于压力的函数关系式对第i次迭代计算得到的压力为p、温度为T

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明的一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，根据热力学一般关系式和热力学性质的基本定义推导出高温热力学性质计算方法，拟合关联研究物质在定压条件下的音速和低温密度、比定容热容和比定压热容数据，沿温度方向分步迭代计算得到高温密度、比定容热容、比定压热容及导出热力学性质。本发明同现有方法相比，可在缺乏高温密度、比定压热容、比定容热容数据的情况下计算出高温热力学性质，具有普遍适用、简单实用和精度高等优点。

附图说明

图1是高温热力学性质计算方法的分步迭代流程；

图2是十种研究物质在压力为10MPa、温度为298.15～400.15K范围内密度的计算值与文献值的相对偏差；

图3是十种研究物质在压力为10MPa、温度为298.15～400.15K范围内比定容热容的计算值与文献值的相对偏差；

图4是十种研究物质在压力为10MPa、温度为298.15～400.15K范围内比定压热容的计算值与文献值的相对偏差。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参照图1所示，迭代计算的过程较为简单，说明所述高温热力学性质计算方法具有简单实用的优点；

参照图2-4所示，分别为利用本发明提供的一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法得到的正辛烷、正癸烷、正庚烷、新戊烷、乙苯、乙二醇、碳酸二甲酯、棕榈酸甲酯、亚油酸甲酯、乙醚在压力为10MPa、温度为298.15～400.15K范围内密度、比定容热容和比定压热容的计算值与文献值的相对偏差，说明所述高温热力学性质计算方法的计算精度与研究物质无关、与温度没有明显的对应关系且与实验测量不确定度较为接近，具有普遍适用和精度高等优点。

如图1所示，本实施例提供的一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，包括以下步骤：

根据热力学一般关系式和热力学性质的基本定义，推导得到定压条件下微小温度变化与密度、比定容热容和比定压热容变化量之间的函数关系，将定压条件下温度微小变化所引起的物性变化量视为微分形式的线性函数变化，通过公式(1)～(3)分别得到温度步长ΔT所引起的密度、比定容热容和比定压热容变化量。

进一步的，选取烷烃、芳香烃、醇类、酯类、醚类中的正辛烷、正癸烷、正庚烷、新戊烷、乙苯、乙二醇、碳酸二甲酯、棕榈酸甲酯、亚油酸甲酯、乙醚共十种研究物质。通过文献调研得到这十种研究物质在压力为10MPa、温度为298.15～400.15K范围内的音速和压力为10MPa、温度为298.15K的密度、比定容热容和比定压热容数据，分别利用公式(8)～(11)进行拟合：

式中：c为音速；A

进一步的，在音速数据的温度范围298.15～400.15K内，取分步迭代的步数n为204，通过公式(4)得到温度计算步长ΔT＝0.5K。

进一步的，通过公式(5)～(7)沿温度方向进行分步迭代分别计算得到压力为10MPa、温度为T

进一步的，通过公式(9)～(11)对第i次迭代计算得到的压力为10MPa、温度为T

所述的一种基于音速数据的高温热力学性质计算方法，借助研究物质在定压条件下的音速和低温密度、比定容热容和比定压热容数据即可实现高温热力学性质的理论计算，不受适用物质种类的限制，计算精度较高且与温度、压力没有直接的联系，具有普遍适用、简单实用和精度高等优点。