低温工质与低温材料的性质

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1、第三章低温工质与低温材料的性质低温工质与材料的特性参数获取、计算与研究低温工质的特性参数计算方法状态参数热学参数低温材料的特性参数计算热学特性机械特性磁学特性光学特性电学特性化学特性生物学特性低温技术中用于进行低温制冷循环或液化循环的工质通称为低温工质。它们在封闭(开)式低温制冷系统中用作为低温工质，在气体分离及液化装置中既作为原料气体或产品气体，同时，也起低温制冷工质的作用。低温制冷工质液化后可以作为低温制冷剂。3.1低温工质的种类及其热力性质低温工质在常温、低压下均为气态。它们都具有低的临界温度

2、，较难液化。在低温下，当压力不很高时（和常压相比），低温工质所处的状态离两相区仍较远，比容仍较大，因而可近似地当作理想气体。低温技术研究和应用中最常用到液态低温工质，如液氧、液氮、液氢、液氖等，因此对液化气体的性质也将着重讨论。项目符号单位甲烷CH4氧O2氩Ar空气氮N2分子量M16.0432.0039.94428.96628.016气体常数RkJ/(kg·K)0.5183410.2598180.2081460.28700330.296766沸点TbK111.790.18887.2978.977.36熔点

3、TmK90.754.483.85—63.2临界温度TcrK191.06154.78150.72132.55126.26临界压力pcr103kPa4.645.1074.8643.7693.398三相点温度TtrK90.6654.36183.81—63.15三相点压力ptrkPa11.66760.15268.92—12.5357固体密度ρSkg/m350014001624—947饱和液体密度ρSkg/m3424.511421400873808饱和蒸气密度ρVkg/m31.84.85.74.484.61密度（在

4、标况下）ρ0kg/m30.71671.42891.7851.29281.2506气化热rVkg/kg509.54212.76163.02205.5199溶化热rmkg/kg58.613.9529.55—25.8表3－1常用低温工质的基本性质氖Ne氢H2(n)-正常氢(e)-平衡氢氦4He氦3He氪Kr氙Xe20.1832.0164.0033.01683.80131.300.411944.12412.0769892.78000.0992150.06332227.10820.39（n）20.28（e）4.22

5、43.191119.8165.0524.613.96——115.95161.3544.4533.24（n）32.9（e）5.20143.324209.4289.752.7211.297（n）1.287（e）0.22750.11655.515.8824.5613.95（n）13.81（e）——115.76161.3743.30757.2006（n）7.0406（e）——73.681.6140086.719014329003540120470.812560241330574.81.3415.5228.95—0

6、.90040.08990.17850.13453.7455.8585.744720.88.5107.596.216.6258.75.7—19.5517.62项目分子量气体常数沸点熔点临界温度临界压力三相点温度三相点压力固体密度饱和液体密度饱和蒸气密度密度（在标况下）气化热溶化热3.2.1正氢、仲氢氢虽是由二个原子构成的分子。但二个氢原子核，当用其质子的核以自旋的方法结合时，则有正氢和仲氢两大类。表现氢分子状态的全波动函数，由于相对于二个质子和电子的交换是反对称式，因此表示分子旋转的波动函数，当旋转量

7、子为偶数则和反对称的核自旋函数相结合，当为奇数时则和对称的核自旋函数相结合。3.2氢的性质前者称为仲氢，合成核自旋为零；后者称正氢，合成核自族为l。对称的核自旋函数有三种形式，从系统的多价看来成为1：3，即在极高温度下，相对于一个仲氢则有三个仲氢，并以此比例存在。氢中能量最低的是旋转量子数为零的仲氢（一次衰减），上面是量子数为1的正氢（三次衰减）。故出于热力平衡状态时的低温下，仲氢的浓度应该最大，其组份与温度的变化关系见表3－2所示。在常温下把氢（亦即由75％的正氢组成）称为正常氢，而按表3－2将各个温

8、度下的平衡组成的氢称为平衡氢。因此，正常氢在20K的液体中，由表3－2可知基本上是由100％的仲氢所组成，但不易获得。这说明正氢向仲氢的变化速度非常缓慢所至。为了加速这一由正向仲的转变，可采用活性炭和磁性物质之类的催化剂。利用吸附和磁的相互作用，把核自旋的对称结合搞乱，这样就便于由正氢转变称仲氢。T（K）％仲氢2099.824088.618048.3912032.8727325.13例如，使用含有30％左右三氧化二铬的氧化铝催