3He气液饱和密度方程

    1 引 言

    ³He是自然界中氦的两种稳定性同位素之一,在自然氦气中的原子丰度仅为0.137×10-5[1]。由于极其稀少和较难获取,³He是当前最贵重的气体,其价格是大家熟悉的贵重气体⁴He价格(0.2元/L)的6 000倍左右。³He因其独特的物理性质而获得重要应用,比如利用³He沸点低、蒸气压高、超流转变温度低的特点制成³He/⁴He稀释制冷机获取mK级低温[2,3];利用³He在极低温下的超流性搜寻超对称暗物质[4];利用³He原子具有的核磁矩制成高灵敏度超极化核磁共振成像仪[5];作为潜在的热核反应能源材料[6]等。20世纪中期至今,科学家们凭着浓厚的兴趣开展了一系列有关³He的研究,这些工作使人们对物质世界有了更深入的认识,例如在低温下观测到的3He性质进一步为量子理论提供实验依据。然而,3He流体的大部分应用必然涉及到其热物理性质。目前的问题恰恰是这些物性实验数据零散分布于20世纪六七十年代的各类文献,不仅总体数量上不够充分,而且各自涵盖的温度、压力等区间多有重叠。系统地收集、整理气液固全区间的实验数据工作未见报道。这给应用³He的研究者带来极大的不便。本课题在广泛收集整理实验数据的基础上,提出精度满足要求的状态方程,并开发³He物性数据库。本文介绍该工作的一个重要环节,即提出³He饱和气液密度方程。该方程不仅可以用来计算饱和区气液密度和判断³He所处的相态,而且也是将来产生³He气态和液态区状态方程的参照,为物性计算提供初值。

    2 ³He的三相情况

    ³He相对原子质量为3.016,原子核由2个质子和1个中子组成,通常情况下为无色、无味、无毒、不燃烧的惰性气体。在正常压力下,气态³He只有当其温度降低到3.191 K时才被液化。液³He跟液4He一样,存在正常相和超流相两种相态。³He超流性[7]的发现获得了1996年诺贝尔物理学奖,其K点温度为2.6 mK。在常压下不论把液³He冷却到多低的温度(即使绝对0度),都不可能获得固态³He。只有当压力上升到3.0 MPa左右时,³He才可能固化。但是³He不存在三相点,如图1所示,表1给出图中的特性点[8](图中虚线把体膨胀的温度系数B的正负区域分隔开)。

    3 ³He的气液饱和密度数据

    作者收集了³He饱和区的密度实验数据,如表2所列。其中Kerr曾于1954年[9]对1 K~3.3 K范围内的15个液体密度数据点和12个蒸气密度数据点采用修正的Van der Waals方程进行拟合,但没有成功。因此采用了完全的经验公式