close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Исследовательская работа Доронина А.

код для вставкиСкачать
Департамент образования Вологодской области
Бюджетное образовательное учреждение
Среднего профессионального образования
"Череповецкий лесомеханический техникум им. В.П. Чкалова"
Направление: техническое
ТЕМА Исследование свойств жидкого кислорода
Автор:
Доронин Андрей
студент группы МЭ-31
Специальность: 140613(1806) "Техническая Эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования"
Научный руководитель:
Дилигенская Н.М. (преподаватель спец. дисциплины)
Г. Череповец
2012
Содержание
Введение 3 1. Историческая справка о предмете исследования 4 2. Исследование свойств жидкого кислорода 4 2.1.Общие сведения о жидком кислороде 4 2.2. Парамагнитные свойства жидкого кислорода 5 2.3. Проводимость жидкого кислорода 6 2.4. Температурное влияние на жидкий кислород 7 3.Металлическая фаза жидкого кислорода 7 4. Заключение. Социальная оценка исследования 9 5. Список используемой литературы 10 Введение
Цель работы: заключается в выявлении электрических свойств жидкого кислорода для использования его в электрооборудовании в качестве диэлектрического материала. Актуальность темы исследования заключается в том, что изучение электрических свойств жидкого кислорода позволит повысить надежность электрооборудования, эксплуатируемого в условиях климата Вологодской области. Проблема исследования: заключается в определении роли электрических свойств жидкого кислорода для увеличения надежности электрооборудования.
Задачи работы: 1. Изучить литературу и другие источники информации по проблеме исследования, дать их анализ;
2. Проанализировать общие свойства кислорода;
3. Исследовать электрические свойства жидкого кислорода;
4. Показать влияние электрических свойств жидкого кислорода на надежность электрооборудования, эксплуатируемого в условиях русского Севера;
5. Выявить пути возможного применения жидкого кислорода в электрооборудовании;
Объект исследования: жидкий кислород.
Предмет исследования: значение электрических свойств жидкого кислорода.
Гипотеза исследования: если учитывать электрические свойства жидкого кислорода, то область его применение в промышленности можно значительно расширить.
Работа состоит из введения, из трех глав, заключения, социальной оценки, списка используемой литературы, приложений. Во введении показана актуальность теоретического исследования, определены цели и задачи, предмет исследований, обозначена проблема исследования. В первой главе представлена историческая справка о предмете исследования. Во второй главе описывается свойства кислорода, представлены общие сведения о жидком кислороде проанализированы парамагнитные свойства жидкого кислорода, рассмотрены особенности проводимости жидкого кислорода, показано влияние электрических свойств жидкого кислорода на надежность электрооборудования, эксплуатируемого в условиях русского Севера и описано температурное влияние на жидкий кислород. Третья глава посвящена описанию исследования металлической фазы жидкого кислорода. В заключении сделаны выводы о путях возможного применения жидкого кислорода в электрооборудовании. Список литературы составляют источники. Приложения наглядно дополняют проведенное исследование проблемы.
1. Историческая справка о предмете исследования
Кислород открыт в 1771-1773г. Шееле, но его "Химический трактат о воздухе и огне" был опубликован лишь в 1777 г. Другой английский учёный Пристли (Рисунок 1) сообщил об открытии кислорода раньше - в 1774г.
Рисунок 1. Д. Пристли - первый сообщил об открытии кислорода.
В 1823 году Майкл Фарадей сделал одно из важных открытий в физике - он впервые добился сжижения газа. Но сжижению не поддавались кислород, водород, азот, окись углерода, метан и окись азота, которые стали называть постоянными газами. Опыты, проведенные Фарадеем, положили начало новому научному направлению физике низких температур.Только в 1877 г. французскому физику Луи Поль Кайете впервые удалось получить в жидком состоянии одни из этих "постоянных" газов - кислород.В 1883 году Сигизмунд Врублевский польский физик и химик, профессор Ягеллонского университета в Кракове, совместно с профессором Ольшевским впервые получил в больших количествах жидкий кислород [ 2]. 2. Исследование свойств жидкого кислорода
2.1. Общие сведения о жидком кислороде
Кислород - самый распространенный химический элемент на Земле. Связанный кислород составляет около 6/7 массы водной оболочки Земли - гидросферы (85,82% по массе), почти половину литосферы (47% по массе), и только в атмосфере, где кислород находится в свободном состоянии, он занимает второе место (23,15% по массе) после азота. [2]. Жидкий кислород очень сильное вещество продукта окисления и является обычным жидким топливом окислителя в ракетах, применяется в комбинации с керосином или водородом. Жидкий кислород получают дистиллируя жидкий (ликвидный) воздух, который состоит приблизительно из 19-процентного кислорода, 80-процентного азота, и небольших количеств инертных газов как аргон, криптон, и ксенон. Кислород бесцветный газ, сгущающийся при температуре -182,9°С и нормальном давлении в бледно-синюю жидкость, которая при температуре -218,7°С затвердевает, образуя синие кристаллы .
Жидкий кислород является одним из четырёх агрегатных состояний кислорода. Он без запаха, в тонких слоях атмосферы- прозрачный, бесцветный, в толстых слоях -имеет голубоватый цвет. Он обладает хорошей текучестью, способен проникать через очень малые зазоры и в силу этих свойств является хорошим смазывающим материалом для подшипников турбонасосных агрегатов [1]. Жидкий кислород не является горючим веществом, однако при контакте с ним резко возрастает взрыво - и пожаро-опасность органических и горючих материалов. Для возбуждения реакции в системе материал - жидкий кислород необходим источник инициирования. Следует отметить, что до настоящего времени не известны случаи самопроизвольного воспламенения и взрыва веществ и материалов, контактировавших с жидким кислородом. Наиболее опасен контакт жидкого кислорода с различными углеводородами, маслами, распределёнными в виде плёнки на поверхностях оборудования, деревом, асфальтом, пенопластмассами [1].. Эти вещества и материалы могут детонировать в жидком кислороде при воздействии источника инициирования с энергией в несколько джоулей.
2.2. Парамагнитные свойства жидкого кислорода
Жидкий кислород относится к сильным жидким парамагнетикам, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля [2]. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам. Физическая величина, характеризующая связь между магнитной индукции B напряженностью магнитного поля H в веществе называется магнитная проницаемость и у жидкого кислорода она составляет µ = 1,0034. Молекулы жидкого кислорода обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее (Рисунки 2,3). Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен (Рисунок 4), так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно. К парамагнетикам относятся также алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо(FeCl2).
Рисунок 2. Парамагнетик в присутствии слабого магнитного поля.
Рисунок 3. Парамагнетик в присутствии сильного магнитного поля
Рисунок 4. Парамагнетик в отсутствие магнитного поля.
2.3. Проводимость жидкого кислорода При разряде статического электричества, которое возникает и накапливается в потоке жидкого кислорода, наблюдается достаточно большое удельное электрическое сопротивление жидкого кислорода (более 1014 Ом*см). Величина электрического сопротивления может существенно меняться в зависимости от состава примесей, содержащихся в жидком кислороде. Рядом исследователей было показано, что поток чистого жидкого кислорода не возбуждает электрического заряда, однако даже при очень небольшом содержании частиц льда в потоке жидкого кислорода создаётся значительное напряжение. Например, если переливать жидкий кислород из одного ведра в другое на открытом воздухе, а ведро, в которое переливается жидкий кислород, установить на резиновом коврике, то на металлической поверхности ведра образуется электрический потенциал напряжением до 3000В. Так же было установлено, что жидкий кислород содержащий до 2-3 микродолей СО2, не возбуждает электрических зарядов. При повышение содержания СО2 до 200-300 микродолей создается электрический потенциал до 3000В. [4]. Возможность образования зарядов статического электричества в жидком кислороде обусловливается наличием в нём твёрдых частиц. Величина напряжённости движения частиц в жидком кислороде зависят от количества примесей и их природы, а знак электрических зарядов - от природы примесей. Наличие в жидком кислороде частиц активного глинозема и двуокиси углерода приводит к электризации жидкого кислорода с отрицательным знаком заряда, тогда как наличие частиц силикагеля приводит к электризации с положительным знаком 2.4. Температурное влияние на жидкий кислород Из-за криогенной особенности жидкого кислорода при его соприкосновении с каким-либо предметом, этот предмет становится очень хрупким. Кислород не является коррозионным, поэтому выбор конструкционных материалов для соприкосновения с кислородом не ограничен, но надо учитывать, что жидкий кислород- это жидкость с высокой степенью криогенности и её контакт с конструкционным материалом вызывает хрупкость материала [3].
3. Металлическая фаза жидкого кислорода В 2001 году английским химиком Д.Гамильтоном совместно с французскими учеными было проведено детальное экспериментальное изучение жидкого кислорода и, впервые была четко зафиксирована металлическая фаза жидкого кислорода. [4] Эксперименты проводились при давлениях от 0.3 до 1.9 Мбар (при таких давлениях объем образца уменьшается в несколько раз) и температурах вплоть до 7000 К. Такие условия достигались при адиабатическом сжатии капельки холодного жидкого кислорода, зажатой между двумя кристаллами сапфира (в так называемой сапфировой наковальне). Ударное воздействие на кристаллы сапфира порождало ударную волну, которая, многократно отражаясь и возвращаясь, сжимала образец. Так как воздействие было кратковременным, то высокое давление существовало лишь в течение 100-200 наносекунд, однако, и этого было достаточно, чтобы исследовать электропроводность образца [4]
Рисунок 5. Зависимость удельного электрического сопротивления жидкого кислорода от давления
На рисунке 5 приведены результаты эксперимента. Светлые точки на рисунке - результаты описываемого эксперимента, а черные точки - данные, приведенные в работе французских исследователей. Авторы работы отмечают, во-первых, резкое падение сопротивления в районе 0.5 Мбар в миллион раз, а во-вторых, некое "плато" при давлениях более 1 Мбар (практически постоянное сопротивление). Кроме того, из графика видно, что сила тока остается постоянной, в то время как напряжение сильно падает. Также, заметно, что по к 300 нс напряжение вновь начинает возрастать. Это означает, что при снятии давления металлическая фаза исчезает. Объясняются полученные результаты следующим образом. Как мы знаем, при обычных давлениях жидкий кислород - это диэлектрик. То есть все электроны находятся в узких, полностью заполненных энергетически разрешенных зонах, лежащих существенно ниже по энергии уровня Ферми. С повышением давления электронная структура меняется: уровни уширяются, и при некотором давлении могут достичь и уровня Ферми. Но мы имеем дело с жидкостью, а не с кристаллом, электроны вблизи уровня Ферми сидят в определенных локализованных состояниях, а потому не могут участвовать в проводимости. Для того, чтобы попасть в континуум и стать делокализованными, необходимо преодолеть некий активационный потенциальный барьер [3 ]. Именно игра двух параметров: высоты потенциального барьера (величины энергии активации) и температуры определяет наблюдаемое поведение электрического сопротивления. При небольших давлениях энергия активации велика, и потому лишь небольшая часть электронов перекидывается в континуум. В результате проводимость незначительна. Однако с ростом давления энергия активации падает, что и приводит к быстрому росту проводимости. Когда же энергия активации становится порядка температуры и ниже, то уже практически все электроны с энергией, близкой к энергии Ферми, находятся в континууме. Именно поэтому график сопротивления выходит на константу: проводимость насыщается. Причины разногласия своих результатов с данными Д.Гамильтона и др. объясняются следующим компрессия достигалась с помощью однократной ударной волны, что при том же давлении приводило к значительно более высоким температурам, порядка 6500 К вместо 3900 К в настоящей работе (адиабата Гюгонио против обычной адиабаты). При таких температурах вещество начинало диссоциировать и фактически превращаться в электролит. Именно поэтому происходило падение сопротивления в работе Д.Гамильтона. В настоящей же работе диссоциация была пренебрежимо мала, и проводимость была целиком за счет делокализованных электронов. 4.Заключение. Социальная оценка исследования
Несмотря на длительное изучение свойств жидкого кислорода различными методами, его структура все еще не до конца понятна. Из анализа проведенного теоретического исследования можно сделать вывод, что надежность работы оборудования, эксплуатируемого в условиях климата Вологодской области, зависит от электрических свойств жидкого кислорода и внешних факторов, а при определенном значении давления жидкий кислород из состояния диэлектрика переходит в состояние металла.
Гипотеза исследования: если учитывать электрические свойства жидкого кислорода, то область его применение в промышленности можно значительно расширить - подтверждена частично, так как выяснено, что удельное электрическое сопротивление жидкого кислорода зависит от давления.
Выводы:
1. При определенной температуре под действием жидкого кислорода материал теряет пластичность, ковкость , а под нагрузкой механическая сопротивляемость материала падает. На территории Вологодской области зафиксированы температуры в зимний период до - 48 градусов. При работе с жидким кислородом желательно применяют фтропласты, винипласты, специальные сорта резины из изопренового каучука.
2. Исследователями четко зафиксирован переход диэлектрик-металл в жидком кислороде. Эти результаты могут найти применение в исследованиях внутренней структуры планет газовых гигантов. Условия, полученные в лаборатории, близки к существующим условиям в центре таких планет. 3. Российскими исследователями обнаружено достаточно сильное увеличение ширины линии от парамагнитных молекул кислорода при близкой к нулю концентрации кислорода в смеси кислород-азот. Были проведены особые квантово-химические расчеты по определению электронной и пространственной структуры возможных кластеров. (Кластер - объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определёнными свойствами).
4. На предприятиях Вологодской области кислород используют как окислитель. В металлургии при выплавке чугуна и стали в процессах шахтной, взвешенной и конвертерной плавки цветных металлов; в прокатном производстве; при огневой зачистке металлов; в литейном производстве; при термитной сварке и резке металлов; в химической промышленности при производстве HNO3, H2SO4, метанола, ацетилена; формальдегида, оксидов, пероксидов и других веществ. 5. Список использованной литературы
1. Справочник по электротехническим материалам. С 72 В.3 т. Под ред. Ю.В. Корицкого и др. Т.1. Изд. 2-е, перераб. М., "Энергия", 1974.
2. Электроматериаловедение: Учеб. Для нач. проф. Образование: Учеб. Пособие для сред. Проф. образования/ Людмила Васильевна Журавлева - 2-е изд., стер. - М.: Издательский центр "Академия", 2004-312с.
3. Электротехнические материалы: Справочник/ В.Б Березин, Н.С Прохоров, Г.А Рыков, Энергоатомиздат, 1983-504с.
4. Справочник по электротехническим материалам с 74 ном: В 3т.Т. 1/ Под ред. Ю.В. Корицкого и др. - 3-е изд., Перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1986.- 368с.
5.http://www.severstal.com/rus/businesses/international/north_american/dearborn/
6
Автор
profobrazovanie
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
124
Размер файла
114 Кб
Теги
доронина, исследовательская, работа
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа