一种测量吸湿性松散物料体积的热力学方法

　　1　引言

　　松散物料体积的测量通常采用将其浸没于液体中来测量的方法,但此法对于一些吸湿性材料来说会出现很大的误差。本文引入了一种利用热力学原理来测量物料体积的方法[1],并搭建了实验装置,较好地解决了这一问题,且对测量误差进行了分析。

　　2　实验原理

　　实验装置如图1所示,整个装置除U形管和压气球外均由无色透明的有机玻璃制成,U形管采用玻璃管,可减少液体对管壁的吸附。U形管与有机玻璃管的连接采用硬连接,能较好地解决气密性问题。实验原理为:首先打开控制阀1,然后关闭控制阀2,向储气罐内充气使其压力达到某一预定值p1,关闭控制阀1,待其稳定后打开控制阀2,气体平衡后压力达到p2。根据热力学原理,有如下关系式:

式中: V1为初始阀门1与阀门2之间封闭气体的体积; V′1为阀门2打开后,由于压力的变化引起U形管内的液柱高度变化,使V1变为V′1; V2为阀门2与样品容器间封闭气体的体积;Vs为样品的体积。

　　当测试装置内气体状态与外界平衡后,T0=T2。故由式(1)可得

　　3　误差分析

　　假设压力为p0时,阀门1与阀门2之间的封闭气体体积为V0,温度为T0。当压力升高到p1时,U形管两端液柱高度差为2h,压力为p2时,U形管两端液柱高度差为2h1。U形管横截面面积为s,则有如下关系式:

　　4　热力过程分析

　　当储气罐内的气体压力达到p1,与外界达到热力平衡后,在阀门2打开的瞬间,该热力过程可假设为一绝热过程,T2在瞬间并不等于T0,必须与外界达到热力平衡后方能相等,故有必要对此过程进行分析。

　　假设体积为V1的气体经过绝热膨胀过程后,体积变为V″1,而体积为V2-Vs的气体经过绝热压缩过程后,体积变为( V2-Vs)′,压力变为p′2,由文献[3]可知:

　　5　测量结果与分析

　　本装置中V1=929×10-6m3, V2=827×10-6m3,U形管内径为0·004 m,标尺最小刻度为1 mm。由U形管管壁不均匀造成的误差为:Δs=0·03s,ΔV0=ΔV2=1 mL,Δp0=0·5Pa。实验样品为直径为0·5 mm的陶瓷球,其标准体积由排水法测得,测量误差为1%。实验过程中T2与T0的温差与被测物料体积的关系如图2所示。从图2可见,温差相差不大,气体在短时间内即可与外界达到热平衡。

　　装置测量误差曲线如图3所示。从图3可见,理论误差与实测误差有一定偏差,这是由于实验过程中温度变化,气压变化与观测误差等综合因素造成的结果。当被测物料体积大于171 mL时,相对误差小于5%,大于361 mL时,相对误差小于3%,可见该装置能达到较好的测量结果。