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类氩流体的物态方程和气液一级相变

田建祥  
【摘要】:类氩流体指的是由像氩原子一样简单的原子或分子为组成成分的流体系统。随着实验技术的进步和大型计算机的应用,类氩流体的气液一级相变中的物性数据已经很精确,这些数据由一些经验性的物态方程来描述。对于这些数据,尚且没有理论上的合理解释。微观上讲,流体的相变起源于组成流体的原子或分子之间的相互作用。从统计力学的观点看,相互作用不同意味着系统哈密顿量的不同,进而影响到配分函数的数值。这样,建立以相互作用为基础的统计模型来解释类氩流体在气液一级相变中的物性数据是统计物理的一个重要工作。 本论文的工作是:在两体长程相互作用的基础上,建立类氩流体系统的统计模型,得出类氩流体在气液一级相变中的物性数据理论数值,并与实验数据进行对比。首先,在粒子的相互作用上,考虑到热力学系统中粒子之间的相互作用不只是存在于两个粒子之间,发展了Debye,Keesom和London关于两体长程相互作用的工作,论文提出了含温度因子T~S的势函数。通过把含温度因子的势函数应用到Eyring统计理论,发现这样的势函数对于描述类氩流体的性质,特别是在解释其气液一级相变现象上面非常的成功。同时,鉴于流体系统的物性通常由系统的物态方程来描述,而硬球性物态方程在以往的研究中非常成功,针对硬球性物态方程提出了与van der Waals结果不同的吸引项。计算表明这个新的吸引项涵盖了van der Waals吸引项,与vail der Waals排斥项结合后以简单形式的物态方程给出了与实验数据一致的氩气等多种气体的临界压缩因子。在探索上述吸引项所对应的相互作用势函数过程中,论文提出了类氩流体的平均分布模型。该模型应用到Sutherland势函数中,得到上面的吸引项;该模型应用到Lennard-Jones势函数中得到的新结果对IEM的理论研究和DFT的理论研究有很好的启示性作用,指出,在DFT理论和IEM中广泛引用的Lennard-Jones势可能不是描述两粒子相互作用的最好的势函数。于是,多项式势函数得到应用,模型给出了著名的维里方程,并给出了潜热的对应态定律的概念。模型与排斥体积理论的结合从理论上同时给出了氩气的两个实验数据:玻意耳点和临界压缩因子。


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