Поверхностное натяжение и плотность системы таллий-свинец-висмут

УДК 532.14/.6

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ И ПЛОТНОСТЬ СИСТЕМЫ ТАЛЛИЙ-СВИНЕЦ-ВИСМУТ

© Р.Х. Дадашев, Д.З. Элимханов, Р.А. Кутуев

Ключевые слова: плотность; поверхностное натяжение; расплавы; температурная и концентрационная зависимость; жидкие металлы.

В работе экспериментально изучена температурная и концентрационная зависимость поверхностного натяжения и плотности расплавов таллий-свинец-висмут по лучевому сечению Т1:РЬ = 1:1. Исследования проводились в комбинированном приборе, в котором поверхностное натяжение (ст ) измеряется методом максимального давления в капле, а плотность (р ) - усовершенствованным ареометром. Поверхностное натяжение методом максимального давления в капле определяется с высокой точностью и дисперсия при этом составляет 0,32 мДж/м2.

К настоящему времени по большинству чистых металлов и двойных систем имеются надежные экспериментальные данные. Однако, несмотря на широкое использование их в различных отраслях современной техники, сравнительно мало изучены физико-химические свойства многокомпонентных систем. Такое состояние обусловлено многократным увеличением объема экспериментальных измерений при исследовании свойств многокомпонентных расплавов. Вместе с тем с увеличением числа компонентов значительно затрудняются как экспериментальные измерения, так и теоретическое обобщение полученных результатов. Расплавы свинца и висмута широко используются в науке и технике, в частности, свинец-висмутовая эвтектика находит применение в атомных реакторах на быстрых нейтронах в качестве жидкометаллических теплоносителей [1].

Поверхностное натяжение и плотность расплавов этой системы изучены в [2]. Однако экспериментальные данные в этой работе представлены в аналитической форме в виде коэффициентов полинома, что сужает возможности использования этих результатов в практических целях. В данной работе представлены результаты экспериментального и теоретического исследования поверхностного натяжения расплавов трехкомпонентной системы таллий-свинец-висмут по лучевому сечению Т1:РЬ = 1:1.

Для измерения поверхностного натяжения использованы металлы: свинец Pb-0000, таллий Т1-00, висмут Bi-000. Измерения проводились от температуры ликвидус до 773 К.

Исследования проводилось в комбинированном приборе [2], в котором поверхностное натяжение (ст ) измеряется методом максимального давления в капле, а плотность (р) - усовершенствованным аэрометром. Вычисления предельной суммарной погрешности измерения поверхностного натяжения показывают, что коэффициент вариации поверхностного натяжения при доверительной вероятности 0,95 составляет 0,8 %. Как показано в [2], возможный разброс экспериментальных

Рис. 1. Поверхностное натяжение расплавов Т1-РЬ-Ві по лучевому сечению Т1:РЬ = 1:1: 1 - Т = 623 К; 2 - Т = 773 К

Рис. 2. Плотность расплавов Т1-РЪ-Б1 для лучевого сечения Т1:РЬ = 1:1: 1 - Т = 623 К; 2 - Т = 773 К

точек для данного прибора обусловлен погрешностью измерения плотности и высоты столба металла.

Высота столба измеряется многократно, коэффициент вариации этой величины при доверительной веро-

Таблица 1

Плотность (кг/м3) и поверхностное натяжение (мН/м) расплавов таллий-свинец-висмут

Tl-Pb Мол. доли висмута 573 К 623 К 673 К 723 К 773 К

а р-10~3 а р-10~3 а р-10~3 а р-10~3 а р-10~3

1:1 G 437 1G,843 434 1G,8G2 429 1G,718 422 1G,7G6

G,G3 4G2 1G,839 427 1G,731 424 1G,732 421 1G,684

G,G6 421 1G,746 419 1G,678 417 1G,6G8 416 1G,664

G,G9 417 1G,7G4 414 1G,638 41G 1G,58G 4G7 1G,543

G,12 414 1G,687 41G 1G,616 4G6 1G,529 4G2 1G,5G6

G,18 1G,595 4G7 1G,593 4G4 1G,516 4G1 1G,452 395 1G,378

G,23 1G,557 4G1 1G,515 398 1G,451 394 1G,392 391 1G,324

G,298 399 1G,517 397 1G,444 393 1G.388 389 1G,344 386 1G,289

G,34 397 1G,451 394 1G,4G1 39G 1G,334 387 1G,286 383 1G,252

G,37 394 1G,422 391 1G,366 388 1G,311 385 1G,25G 381 1G,247

G,41 393 1G,375 39G 1G,344 386 1G,256 384 1G,234 381 1G,2GG

G,45 391 1G,342 387 1G,292 384 1G,226 381 1G,188 378 1G,137

G,497 389 1G,285 387 1G,238 384 1G,149 381 1G,224 378 1G,116

G,5 389 1G,313 386 1G,242 383 1G,2G1 379 1G,14G 375 1G,G93

G,59 388 1G,234 384 1G,195 379 1G,14G 376 1G,G84 372 9,992

G,63 386 1G,2G8 382 1G,165 379 1G,G77 375 1G,G27 371 9,957

G,68 385 1G,176 381 1G,G91 377 1G,G59 374 1G,GGG 37G 9,929

G,71 383 1G,149 381 1G,1G6 377 1G,G44 373 9,969 369 9,937

G,75 383 1G,161 38G 1G,G71 376 1G,G23 373 9,955 369 9,923

G,798 381 1G,G97 378 1G,G55 376 9,975 372 9,9G6 368 9,916

G,84 378 1G,G41 376 9,995 373 9,947 37G 9,877 366 9,852

G,899 378 1G,G17 376 9,967 373 9,949 37G 9,869 366 9,838

G,947 378 1G,G13 376 9,943 372 9,9G7 368 9,834 365 9,812

1 375 9,978 373 9,851 37G 9,85G 367 9,758 362 9,751

ятности составляет 0,1 %. Погрешность измерения плотности составляет 0,2 %. Следовательно, разброс экспериментальных точек, полученных одним прибором, не должен превышать 0,3 %.

Полученные результаты представлены в табл. 1 и на рис. 1, 2.

Как видно из рис. 1, висмут проявляет активность как на таллии и свинце, так и во всех на сплавах Т1-РЬ. Однако его предельная поверхностная активность на таллии намного больше, чем на свинце и линейно увеличивается на сплавах при замене свинца таллием. Изотермы поверхностного натяжения по лучевому сечению Т1:РЬ = 1:1 характеризуются гладкими кривыми без особых точек. На рис. 1 представлены как экспериментальные данные, так и результаты теоретических расчетов. Расхождение теоретических данных с экспериментальными составляет 2-5 %.

На рис. 2 представлены изотермы плотности расплавов таллий-свинец-висмут. Как видно из рис. 2, на концентрационной зависимости плотности наблюдается небольшое отрицательное отклонение от аддитивной прямой, с ростом температуры изотермы плотности приближаются к аддитивным прямым.

ЛИТЕРАТУРА

1. Станкус С.В., Хайрулин Р.А., Мозговой А.Г. Плотность расплавленной свинец-висмутовой эвтектики при высоких температурах // Перспективные материалы. 2004. № 4. С. 15-20.

2. Дадашев Р.Х. Термодинамика поверхностных явлений. М.: Физ-матлит, 2007. 278 с.

Поступила в редакцию 5 марта 2012 г.

Dadashev R.Kh., Elimkhanov D.Z., Kutuyev R.A. SURFACE TENSION AND DENSITY OF THALLIUM-LEAD-BISMUTH SYSTEM

In the work temperature and concentration dependence of a surface tension and density alloys thallium-lead-bismuth on beam section Tl:Pb = 1:1 is experimentally studied. The researches were carried out in the combined device in which the surface tension ( ct ) is measured by a method of the maximum pressure in a drop, and density (p) by improved aerometry. The surface tension in a

drop is defined by a method of the maximum pressure with high accuracy and the dispersion thus makes 0.32 mDj/m2.

Key words: density; surface tension; alloys; temperature and concentration dependence; liquid metals.