液氦极限过热度计算方法比较

    1 引 言

    通常所说的液氦是指He4的液态相,包括常流氦HeÑ和超流氦HeÒ。在一些应用液氦的场合,有可能会发生气蚀现象,因此液氦气蚀流动的现象也引起了人们极大的研究兴趣。在研究过程中不可避免地要用到液氦的热物理性质,尤其是液体极限过热度这种热区特有的参数,直接影响系统压力和温度的变化过程,一般热物性数据表或计算方法均未覆盖亚稳态的过热液体区;此外对液氦极限过热度的计算也关系到模型最终计算精度的问题。不仅如此,液氦过热现象也会涉及到许多工程实际问题和技术安全问题,例如在超导体工作中,由液氦冷却所造成的低温环境有可能会发生过热引起的爆沸,从而影响超导体的安全、稳定工作。由此可见,预测液氦在不同压力下的极限过热度无论从理论上和实践上都是十分重要的,对于如何方便、准确地计算出液氦的极限过热度需要进行专门的探讨。

    2 过热液体的成因和限度

    液体的沸腾是在恒外压条件下发生的,沸腾时液体内部产生气泡。由于表面张力的作用,使得气泡内的压力大于液面的压力,此时必须满足力学平衡条件。根据Laplace方程,半径为r的气泡产生的附加压力为Δp=2R/r,所以ps=p_外+p_h+2σ/r。一般情况ph很小,可忽略不计,则ps=p_外+2σ/r。因为在液体中首先产生的气泡半径很小,所以2σ/r很大,在沸点时液体的饱和蒸气压虽然已经达到液面的压力ps=p外,但是还没有达到气泡内的压力,气泡不可能产生,液体不能沸腾。在外压不变的条件下升高温度,则液体的饱和蒸气压增大,即气泡内的蒸气压ps增大。与此同时,液体的表面张力σ减小,故2σ/r减小,在某一温度可满足ps=p_外+2σ/r,只有高于这个温度气泡才能产生,液体才能沸腾,此时液体处于过热状态。处于过热状态下液体的温度Tsup称为液体的/过热极限0,与相同压力所对应的饱和温度的差值ΔTs=Tsup-Ts称为液体的“极限过热度”。

    3 几种用来预测液氦极限过热度的方法

    液体的极限过热度是可以通过实验测得的,但是实际需要中不可能一切数据都由实验来获得,因此也就出现了一些用来预测极限过热度的经验公式。但任何一个计算公式都不可能适用于所有的物质,即使是针对某一物质的计算公式也很少能在所有的压力范围内有效。针对这一情况,本文试图通过对几种极限过热度计算公式的研究,找出能在一定精度范围内满足计算液氦极限过热度要求的公式。

    (1)文献[1]在亚稳态模型的基础上从立方型状态方程出发,根据热力学平衡稳定性理论并作了适当的近似,导出了用来预测液体过热极限的通用公式