氦-3狀態(tài)方程及熱物理性質(zhì)研究.pdf

1、氦-3是氦的穩(wěn)定性同位素之一，十分稀缺昂貴。氦-3以其獨(dú)特的熱物理性質(zhì)在基礎(chǔ)物理、低溫工程、空間科學(xué)、核聚變等高科技領(lǐng)域有著重要應(yīng)用：比如利用氦-3／氦-4稀釋制冷或氦-3絕熱壓縮制冷獲取mK級(jí)低溫；利用氦-3的超流性搜尋宇宙反物質(zhì)和暗物質(zhì)；利用氦-3的核磁矩實(shí)現(xiàn)超極化核磁共振成像；氦-3作為重要熱核反應(yīng)原料等等。這些應(yīng)用大多需要氦-3熱物性數(shù)據(jù)的支持。雖然有關(guān)氦-3的熱物性測(cè)量和理論研究在過去50年已大量開展，但是其寬范圍熱力學(xué)狀態(tài)方

2、程、完整的熱力學(xué)數(shù)據(jù)圖表以及熱物性計(jì)算程序一直處于空缺狀態(tài)。為了解決這個(gè)制約氦-3各項(xiàng)應(yīng)用獲得進(jìn)一步發(fā)展的瓶頸，本文以研究氦-3相平衡曲線和流體區(qū)熱力性質(zhì)及狀態(tài)方程為目標(biāo)，開展了以下工作： 1．氦-3熱物性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)和處理 具有足夠數(shù)量的參考數(shù)據(jù)是發(fā)展任何經(jīng)驗(yàn)型或者半經(jīng)驗(yàn)型狀態(tài)方程的必要前提。歷時(shí)四年多的文獻(xiàn)調(diào)研工作收集了大量有關(guān)氦-3的pvT、定容比熱容、定壓比熱容、聲速、焓、熵、膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)、汽化潛熱、第二

3、和第三維里系數(shù)、焦耳─湯姆森系數(shù)、熱導(dǎo)率、粘度和表面張力等熱物性的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和理論計(jì)算值，形成了可編輯查找的電子參考數(shù)據(jù)庫(kù)，包含單位制、溫標(biāo)、出處和年代等詳細(xì)信息。出于連續(xù)性和統(tǒng)一性考慮，對(duì)收集到的氦-3參考數(shù)據(jù)進(jìn)行了單位制和溫標(biāo)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)篩選和權(quán)重分配。利用處理后的參考數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值插值計(jì)算，獲得了相應(yīng)范圍內(nèi)的氦-3溫熵圖和壓焓圖。 2．氦-3飽和曲線特征方程 研究了氦-3在氣─液相平衡曲線上的熱力學(xué)性質(zhì)，包括飽和蒸氣壓

4、、飽和密度、汽化潛熱、比熱容以及焓和熵等。提出了0.003K～臨界點(diǎn)3.3157K溫區(qū)的高精度氦-3蒸氣壓方程和飽和密度方程。前者不僅精確定義了飽和曲線上的蒸氣壓─溫度依賴關(guān)系，而且為當(dāng)前采用的國(guó)際溫標(biāo)（ITS-90）在極低溫段的擴(kuò)展提供了理論依據(jù)；后者采用無量綱形式，同時(shí)適用于飽和曲線液體側(cè)和蒸氣側(cè)，突破了其它流體同類方程的溫度適用下限。 3．氦-3熔化曲線特征方程 從宏觀實(shí)驗(yàn)測(cè)量和微觀原子作用機(jī)理、統(tǒng)計(jì)理論相結(jié)合的角

5、度出發(fā)，提出了0.001K～30K大 溫區(qū)內(nèi)統(tǒng)一而不是分段的氦-3熔化壓力和密度方程。發(fā)現(xiàn)氦-3熔化壓力和熔化密度之間存在極大的相關(guān)性和相似性，兩者一起準(zhǔn)確地界定了固－液相變邊界。同時(shí)研究了熔化曲線上膨脹系數(shù)、壓縮系數(shù)、比熱容、熵以及聲速等性質(zhì)。 4．氮-3熱力學(xué)狀態(tài)方程框架 在經(jīng)典熱力學(xué)理論的指導(dǎo)下，引入量子力學(xué)理論，構(gòu)建了氦-3的全新熱力學(xué)狀態(tài)方程框架。以亥姆霍茲（Helmholtz）自由能為出發(fā)點(diǎn)和中間參量，

6、可以推導(dǎo)得出其它任何熱力學(xué)狀態(tài)性質(zhì)的表達(dá)式，從根本上保證了熱力學(xué)連續(xù)性和一致性。對(duì)氦-3的不同區(qū)域（包括不同相區(qū)以及同一相區(qū)內(nèi)以物質(zhì)密度高低劃分的不同區(qū)域）進(jìn)行了明確的定義，為有針對(duì)性地確定方程形式以及根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)方程性能提供了高效的方法。將熱力學(xué)框架應(yīng)用于臨界點(diǎn)以下的正常液體區(qū)域，提出了能精確描述0.1K到臨界點(diǎn)3.3157K溫區(qū)正常液體氦-3的pvT、比熱容、聲速、焓、熵等熱力性質(zhì)的具體狀態(tài)方程。 5．基于德拜聲子模型的

7、氮-3狀態(tài)方程 在熱力學(xué)狀態(tài)方程框架體系內(nèi)，突破傳統(tǒng)思想將晶體德拜比熱容模型應(yīng)用于低溫流體，發(fā)展了同時(shí)適用于一般可壓縮液相和氣相的氦-3流體熱力學(xué)狀態(tài)方程。該方程包含了基本的德拜比熱容函數(shù)、臨界點(diǎn)特殊行為、飽和蒸氣壓和密度特性、熔化壓力和密度特性、流體壓縮性、低密度第二和第三維里系數(shù)、以及量子費(fèi)米流體在1K以下的比熱容－溫度線性關(guān)系等等物理信息。該方程集各專用方程于一身，避免了采用多個(gè)方程的復(fù)雜性和連接的困難，它可用于計(jì)算0.0