Способ определения коэффициента конденсации твердого вещества Российский патент 2024 года по МПК G01N25/02 G01N25/14 

Изобретение относится ж области экспериментальной физики и может быть использовано для измерения коэффициента конденсации льда.

Знание точного значения коэффициента конденсации льда необходимо для правильного моделирования процессов облакообразования. Дополнительный интерес к проблеме определения коэффициента конденсации льда обусловлен тем, что, гетерогенные химические реакции на кристаллах льда играют существенную роль в образовании озоновой "дыры" над Антарктидой (Haynes D.R., Tro N.J., George S.M. Condensation and Evaporation of H₂O on Ice Surfaces. //I Phys. Chem. 1992. V. 96. №21. P. 8502).

Кроме того, в связи с расширяющимися исследованиями Марса и Титана для моделирования процессов облакообразования в их атмосферах представляет интерес знание коэффициента конденсации сухого льда (твердого СO₂), а также метана (СH₄) и этана (С₂Н₆).

Известен способ определения коэффициента конденсации льда, когда с помощью интерференционного метода измеряется скорость изменения толщины тонкой пленки льда, находящегося в вакуумной камере, измеряются температура льда, а также температура и давление паров в камере, а затем по известным формулам определяется коэффициент конденсации. (D.R. Haynes, X.J. Tro, S.M.George Condensation and Evaporation of H₂O on Ice Surfaces. J. Phys. Chem., 1992, v. 96, pp. 8502-8509).

Недостатком этого способа является необходимость использования сложной и дорогостоящей аппаратуры.

Наиболее близким техническим решением, принятым за прототип, является способ определения коэффициента конденсации льда, изложенный в (D.R, Haynes, N J. Tro, S.M. George Condensation and Evaporation of H₂O on lee Surfaces. J. Phys. Chem., 1992, v. 96, pp. 8502-8509). В прототипе при определении коэффициента конденсации помимо различной дорогостоящей аппаратуры для измерения скорости изменения толщины образца льда на подложке, так же, как и в данном изобретении используется вакуумная камера и образец льда внутри нее. В ней также измеряются температуры льда и стенок камеры. В предлагаемом способе в отличии от прототипа при определении коэффициента конденсации измеряется установившееся давление паров в камере и используется известное значение коэффициента сублимации, а толщина образца не меняется и не используется дорогостоящая аппаратура для ее измерения.

Основным недостатком этого способа является необходимость использования сложной и дорогостоящей аппаратуры.

Задачей изобретения является создание более простого и одновременно надежного метода измерения коэффициента конденсации льда и других твердых веществ.

Техническим результатом изобретения является разработка способа измерения коэффициента конденсации льда с погрешностью в случае льда не более 16% в диапазоне температур поверхности и температур T_v падающих молекул

Технический результат изобретения достигается тем, что образец льда помещают в вакуумную камеру, термопарами измеряют его температуру и температуру стенок камеры, которая выше температуры образца, а также измеряют манометром установившееся значение давления паров Н₂O в камере, и с помощью измеренных величин и известных давления насыщенных паров Н₂О и коэффициента сублимации определяют значение коэффициента конденсации.

На фигуре 1 представлена принципиальная схема устройства для реализации предлагаемого способа.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит вакуумную камеру 1, образец льда 2, металлическую подложку с термопарой 3, теплопровод 4, манометр 5, термостат с хладагентом 6 (см. фигуру 1).

Предлагаемый способ состоит из следующих действий: помещают образец льда, температура которого с помощью теплопровода поддерживается постоянной в вакуумную камеру, температура стенок которой выше температуры образца льда и также поддерживается постоянной, манометром регистрируют стационарное значение давления, устанавливающегося в вакуумной камере в процессе сублимации, термопарами измеряют температуру поверхности образца льда ж стенок вакуумной камеры и с помощью математической формулы, в которую входят указанные величины, а также давление насыщенных паров H₂О и коэффициент сублимации, получают значение коэффициента конденсации.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом. Образец льда (2) помещают в вакуумную камеру (1) на металлическую подложку (3), соединенную с теплопроводом (4) с помощью которого температуру льда T_s, измеряемой термопарой, поддерживают однородной и постоянной. Температура стенок вакуумной камеры Т, отличающаяся от температуры льда, также поддерживается однородной и постоянной. В вакууме лед начинает сублимироваться, давление пара возрастает, достигая за доли секунды стационарного значения , которое регистрируется манометром, способным измерять давление в диапазоне 10^-7-10^-4 мм. рт.ст. Формула для определения коэффициента конденсации имеет вид

где T_s - температура льда» T_v - температура стенок вакуумной камеры, P_s - давление насыщенных паров Н₂O при температуре T_s, γ - коэффициент сублимации льда.

Если температура стенок вакуумной камеры T_v равна температуре льда T_s то давление P_v должно стать равным P_s (согласно определению величины давления насыщенных паров при температуре T_s). Это обстоятельство может быть использовано для проверки правильности измерений T_v, T_s и P_v, поскольку измеренное значение P_v при должно быть равно значению P_S(T_S), известному из справочных таблиц.

Формула (1) справедлива для свободно молекулярного режима сублимации и конденсации. Это накладывает следующее ограничение

где - длина свободного пробега молекул, a D - характерный размер образца. Длина свободного пробега зависит главным образом от давления в вакуумной камере, которое в свою очередь связано с температурой образца. При D~0,5 см из (2) с учетом зависимости I от указанных величин следует, что в случае льда T_s≤210 K.

В температурном диапазоне , значения T_s и T_v могут быть измерены и поддерживаться постоянными с погрешностью менее 0.2K. Значения P_v и P_s могут быть определены с погрешностью менее 5%. Значение коэффициента сублимации льда известно с точностью 6%,

Таким образом, предлагаемый способ позволяет измерить величину коэффициента конденсации льда в диапазоне температур , с погрешностью менее 16%.

Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано для измерения коэффициента конденсации льда. Предлагаемый способ заключается в том, что образец льда, температура которого с помощью теплопровода поддерживается постоянной, помешают в вакуумную камеру, температура стенок которой выше температуры льда и поддерживается постоянной, и регистрируют стационарное значение давления, устанавливающегося в вакуумной камере в процессе сублимации. Измеряют температуру поверхности льда и стенок вакуумной камеры и с помощью математической формулы, в которую входят указанные величины, а также давление насыщенных паров Н₂O и значение коэффициента сублимации льда, получают значение коэффициента конденсации. Техническим результатом изобретения является разработка способа измерения коэффициента конденсации льда с погрешностью в случае льда не более 16% в диапазоне температур поверхности и температур T_v падающих молекул . 1 ил.

Способ определения коэффициента конденсации льда, включающий помещение образца льда в вакуумную камеру, измерение температуры образца льда, находящегося в вакуумной камере, измерение температуры стенок камеры, которая выше температуры образца, причем дополнительно измеряют стационарное давление паров образца льда в камере P_v, а коэффициент конденсации α льда определяют по формуле

где T_s - температура льда, T_v - температура стенок вакуумной камеры, P_s - давление насыщенных паров при температуре T_s, γ - коэффициент сублимации льда.