1-10000 K arasındaki düşük yoğunluklu He3, He4, eşdeğer karışımının termofizik özelliklerinin ve ikinci virial değerlerinin hesaplanması

Abstract

ÖZETDoktora Tezi1-104 K ARASINDAKİ DÜŞÜK YOĞUNLUKLU 3He, 4He, EŞDEĞER KARIŞIMININTERMOFİZİK ÖZELLİKLERİNİN VE İKİNCİ VİRİAL DEĞERLERİNİNHESAPLANMASIAlaiddin YILMAZFen Bilimleri EnstitüsüFizik Anabilim DalıTez Danışmanı: Prof. Dr. Etem KİŞİOĞLUHaziran 2006, 93 SayfaSoğutma endüstrisinde, magnetohitrodinamik güç sistemlerinde, bazı tip yarıiletkenlerinüretiminde, elektriksel güç üretme sistemlerinde ve itme gücüyle çalışan yakıt sistemlerindekullanılan akışkanlardan bazıları ozon tahrip edici olduklarından (kloroflorokarbon vetürevleri) kullanım için elverişli değillerdir. Bunlardan bazıları da moleküler yapılarınedeniyle ozon tahrip edici olmadıklarından çevre kirliliği açısından kullanıma dahaelverişlidirler. Bu nedenle ozon tahrip edici gazların yerine, günümüzde yukarıda bahsedilenteknolojik ve bilimsel çalışmalarda soğutucu ve itici akışkanlardan olan 3He, 4He veyabunların eşdeğer karışımlarının kullanılması çalışmaları başlatılmıştır. Bu çalışmalardoğrultusunda varılan bazı sonuçlara göre 3He, 4He veya bunların eşdeğer karışımlarının çokdüşük sıcaklık aralığında kullanılabileceği gibi, yüksek sıcaklık (104 K gibi) aralığında dakullanılabileceği araştırmacılarca belirtilmiştir.3 4Günümüzde, He, He veya bunların eşdeğer karışımlarının teknolojik ve bilimselaraştırmalarda kullanılabilmeleri için, termofiziksel özelliklerinin duyarlı ve belirsizliği enÖZET(devam ediyor)az olacak şekilde belirlenmesi gerekir. Bu nedenle, bu akışkanların termofiziksel özelliklerinbelirlenmesinde kullanılan kuantum mekaniksel ⦠(n, s ) çarpışma integrali bağıntısının vetermodinamik fonksiyonların hesaplanmasında kullanılan kuantum mekaniksel ikinci virialB(T) bağıntısının da duyarlı olarak belirlenmesi gerekmektedir. Bu yapılan çalışmalarda 3He,41-104 K arasındakiHe ve bunların eşdeğer karışımlarından oluşan akışkanlarıntermofiziksel özelliklerinin ve termodinamik fonksiyonlarının doğru ve belirsizliklerinin en azolacak şekilde bulunması ve hesaplanmasını amaçlamaktadır.Yapılan bu çalışmada, akışkanların termofiziksel özelliklerinin hesaplanmasında kullanılan⦠(n,s ) (T) çarpışma integrali bağıntısının elde edilmesi için iki yöntem kullanılmıştır. Birinciyöntem, yalnızca düşük yoğunluklu 4He için, klasik kuantum mekaniksel ⦠(n,s ) (T ) çarpışmaintegrali bağıntısı kullanılarak yapılan hesaplama yöntemidir. Bu hesaplamalar sonucunda 1-104 K sıcaklık aralığı için teorik ⦠(n,s ) (T ) çarpışma integrali değerleri elde edilmiştir. İkinciyöntem ise, 4He, 3He ve eşdeğer karışımlarından oluşan her bir akışkan için sonuçlarıdeneysel sonuçlara da uyan 1-104 K sıcaklık aralığında, duyarlı ve belirsizliği en az olan, ayrıayrı çarpışma integralleri önerilerek yapılan hesaplama yöntemidir. Bu hesaplamayönteminde, sıcaklığın bir fonksiyonu olarak önerilen duyarlı ve belirsizliği en az olançarpışma integralleri, literatürde deneysel ve standart olarak kabul edilen ab initio hesapsalverilere fit edilerek belirlenmiştir. Yapılan bu her iki hesaplama sonucunda 1-104 K sıcaklıkaralığında düşük yoğunluktaki ele alınan her akışkan ve eş karışımları için önerilen ⦠(n,s ) (T)çarpışma integrali bağıntısı kullanılarak, viskozite η(T), termal iletkenlik λ(T) ve kütledifüzyon katsayısı D(T) teorik değerleri elde edilmiştir.Bu çalışmada, 3He, 4He ve eşdeğer karışımlarına ait ve termodinamiksel fonksiyonlardanolan, iç enerji değişimi (âU), entalpi değişimi (âH), entropi değişimi (âS), sabit hacimdeki ısıkapasitesi (âCv), sabit basınçtaki ısı kapasitesi (âCp), Joule-Thomson katsayısı (µ) ve akışkaniçindeki ses Hızı (c) nın hesaplanabilmesinde kullanılan, 1-104 K kadar geçerli olan veincelenen akışkanın her biri için ayrı ayrı olacak şekilde B(T) ikinci virial terimi bağıntılarıönerilmiştir. Ayrıca B(T) ikinci virial bağıntıları önerilirken, bu bağıntıların sıcaklığın birfonksiyonu olduğu fiziksel olgusu göz önüne alınmış ve buna göre, 4He, 3HeÖZET(devam ediyor)ve eşdeğer karışımları için sıcaklığın analitik fonksiyonu olan dört değişik tipte ikinci virialterimi önerilmiştir.Sonuç olarak, çizelgelerden de görüleceği üzere önerilen termofizik yarı hesapsal ifadeler,literatürdeki pek çok önerilen yarı hesapsal ifadelerin katsayılarından daha az katsayılıolmasıyla birlikte daha hassas sonuçlar elde edilmiştir. Önerilen bu ifadelerin hassasiyetiyanında, literatürdeki pek çok önerilen ifadeden daha kullanışlı ve anlaşılır olmasıbakımından önemlidir.İkinci virial katsayıları, hal denklemi, Termofizik, Termodinamik,Anahtar Sözcükler:akışkanlarda ses hızı, Helyum, viskozite, ısı iletkenliği, kütledifüzyon katsayısı.Bilim Kodu: 4040301

ABSTRACTPh.D. ThesisDETERMINATION OF THE THERMOPHYSICAL PROPERTIES AND THESECOND VIRIAL COEFFICIENT OF LOW DENSITY 3HE, 4HE AND THEIREQUIVALENT MIXTURE IN 1-104 K TEMPERATURE RANGEAlaiddin YILMAZZonguldak Karaelmas UniversityGraduate School of Natural and Applied SciencesDepartment of PhysicThesis Advisor: Prof. Dr. Etem KİŞİOĞLUJune 2006, 93 pagesDue to severe harm to ozone, some of the fluids are not convenient for using them inrefrigerator industry, magnetohydrodynamic power systems, some kind of semi-conductorsproduction, electrical power supplies, and also in fuel systems operated by repulsiveforces. Whereas some of them, which are not harmful to ozone due their molecularstructures, and therefore, are more eligible for usages in terms of environmental concern.So recently, researches on using the fluids of 3He, 4He and their equivalent mixture havebeen begun for the systems mentioned above instead of those destroying the ozone.However, 3He, 4He and their equivalent mixture are used at extremely low temperatures insome areas, and also at high temperatures (1-104 K) in some other areas.Nowadays, thermophysical properties of 3He, 4He and their equivalent mixture must bedetermined as accurately with the lowest uncertainties. In this respect, both the equation ofquantum mechanical â¦(n,s)(T) collision integral for the determination of the thermophysicalABSTRACT (continued)properties and the quantum mechanical B(T) second virial equation for the calculation ofthermodynamic functions should be known at first. Therefore, the goal of this study is todetermine and calculate the thermophysical properties and thermodynamic functions of3He, 4He and their equivalent mixture at 1-104 K, as accurately with the lowestuncertainties.In this study, two methods have been employed to obtain the collision integral, â¦(n,s)(T)which used for calculation of thermophysical properties of fluids. The first method isemployed the equation of the classical quantum mechanical collision integral â¦(n,s)(T) foronly low density 4He. As a result of this calculation, the theoretical results were obtainedby using the equation of collision integral â¦(n,s)(T) in 1-104 K range. On the other hand, anew collision integral have been proposed which in employed as a second method, tocalculate the collision integral â¦(n,s)(T) for 4He, 3He and the equivalent mixture in 1-104 Krange. The viscosity η(T), thermal conductivity λ(T) and mass diffusion coefficient D(T)of fluids were calculated using the proposed equation for â¦(n,s)(T). In order to determinethe uncertainties of the results obtained from the proposed equation of collision integral,the results were compared with those obtained by ab initio and with experimental valuesbelonging to low density 4He, 3He and their equivalent mixture as accepted standards in theliterature.In this study, second virial coefficient B(T) for each fluid has been proposed to calculatethe thermodynamic functions such as Gibbs energy (âU), enthalpy (âH), entropy (âS),heat capacity at constant volume (âCv) and at constant pressure (âCp), Joule-Thomsoncoefficient (µ), and sound velocity in fluids(c). Hence, four different types of second virialequations B(T) as analytical functions of temperatures have been proposed for each fluidsand the equivalent mixture.As shown in the diagrams, the proposed thermophysical semi-empirical calculation termshave smaller coefficients in comparison to those found in many proposed semi-empiricalterms in the literature. Therefore, the more sensitive results were obtained. It is alsoimportant that these proposed terms are comparatively not only more sensitive but alsoeasily understandable.ABSTRACT (continued)Key Words: Second virial coefficients, equation of state, Thermophysic,Thermodynamic, sound velocity in fluids, Helium, viscosity, thermalconductivity, mass diffusion coefficient.Science Code: 4040301