ГОСТ Р 8.1018-2023. Национальный стандарт Российской Федерации. Государственная система обеспечения единства измерений. Водород нормальный. Теплофизические свойства при температурах до 1000 К и давлениях до 100 МПа

(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 03.02.2023 № 36-ст)

Утвержден и введен в действие Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 3 февраля 2023 г. № 36-ст

НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

ВОДОРОД НОРМАЛЬНЫЙ

ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ ТЕМПЕРАТУРАХ ДО 1000 К И ДАВЛЕНИЯХ ДО 100 МПа

State system for ensuring the uniformity of measurements. Normal hydro-gen. Thermophysics properties at temperatures to 1000 K and pressures to 100 MPa

ГОСТ Р 8.1018-2023

ОКС 17.060

Дата введения 1 декабря 2023 года

Предисловие

1 РАЗРАБОТАН Федеральным государственным бюджетным учреждением «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ФГБУ «ВНИИМС»)

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 180 «Государственная служба стандартных справочных данных»

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 3 февраля 2023 г. № 36-ст 4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта установлены в статье 26 Федерального закона от 29 июня 2015 г. № 162-ФЗ «О стандартизации в Российской Федерации». Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе «Национальные стандарты», а официальный текст изменений и поправок — в ежемесячном информационном указателе «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

1 Область применения

\lambda \eta \rho Настоящий стандарт устанавливает значения стандартных справочных данных плотности , энтальпии h, энтропии s, изобарной теплоемкости cp, изохорной теплоемкости cv, скорости звука w, коэффициента динамической вязкости и коэффициента теплопроводности для нормального водорода как в однофазных областях (газ, жидкость и флюид), так и на линии фазового перехода газ-жидкость (линии насыщения), а также значения давления насыщения ps (см. [1]).

2 Нормативные ссылки

В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:

ГОСТ 8.566 Государственная система обеспечения единства измерений. Межгосударственная система данных о физических константах и свойствах веществ и материалов. Основные положения

ГОСТ 34100.3/ISO/IEC Guide 98-3:2008 Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения

ГОСТ Р 8.614 Государственная система обеспечения единства измерений. Государственная служба стандартных справочных данных. Основные положения Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя «Национальные стандарты» за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный документ, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.

3 Метод расчета стандартных справочных данных

\rho \rho Стандартные справочные значения , h, s, cp, cv, w и ps (ГОСТ Р 8.614, ГОСТ 8.566) рассчитывают по единому для жидкой и газовой фаз фундаментальному уравнению состояния (ФУС) — зависимости свободной энергии (функции Гельмгольца) F от плотности и температуры T

\frac{F(\rho,T)}{RT} = f(\omega,\tau) = f_{0}(\omega,\tau) + f_{r}(\omega,\tau) , (1)

\omega = \rho p_{c} \tau

где f, f₀ и fr — безразмерные полная свободная энергия, идеально-газовая и неидеальная составляющие свободной энергии, соответственно; относительная плотность , относительная температура = T/Tc; значения плотности (pc) и температуры (Tc) нормального водорода в критической точке приведены в таблице А.1 приложения А. Уравнение для неидеальной составляющей свободной энергии имеет следующий вид:

f_{r} = \sum_{j = 1}^{14} b_{j}\phi_{j} , (2)

где

(3)

\gamma_{j} \epsilon_{j}j \beta_{j} \alpha_{j}

где bj — к \omega оэффициенты уравнения состояния, значения которых вместе с показателями степеней rj, tj, lj и параметрами gj, , , , приведены в таблице А.2 приложения А. Плотность в однофазных областях при заданных значениях давления p и температуры T определяют по формуле

\pi = \omega\tau(1 + A_{0})z_{c} , (4)

\pi = pp_{c}

где ; zc = 103pc/( \omega'' pcRTc); зн \omega' ачения давления pc и фактора сжимаемости zc в критической точке, а также газовой постоянной R нормального водорода приведены в таблице А.1 приложения А. Плотности газовой и жидкой фаз на линии насыщения при заданной температуре T определяют из условий фазового равновесия в результате решения следующей системы уравнений

, (5)

\phi_{r}(\tau,\omega) где — безразмерная неидеальная составляющая изобарно-изотермического потенциала (потенциала Гиббса)

\phi_{r} = f_{r} + A_{0} + ln(\omega) . (6)

\omega'

Давление на линии насыщения ps определено по формуле (4) для . \omega\prime\prime \omega\prime \omega Энтальпия, энтропия, изобарная и изохорная теплоемкости и скорость звука как в однофазных областях (для T и ), так и на линии насыщения (для T, или T, ) определяют по формулам:

h = h₀ + A₃RT; (7)

s = s₀ + RA₄; (8)

c_{p} = c_{v} + \frac{R(1 + A_{2})^{2}}{1 + A_{1}} ; (9)

cv = cv₀ + A₅R; (10)

w = [103RTcp(1 + A₁)/cv]0,5, (11)

где h₀, s₀, cv₀ - энтальпия, энтропия и изохорная теплоемкость в идеально-газовом состоянии. f_{0}(\tau,\omega) Термодинамические свойства в идеально-газовом состоянии определяют по формулам, полученным из :

c_{v0} = R[a_{3} + \sum_{i}^{8} {}_{= 4}a_{i}E_{i}D_{i}^{2}] ; (12)

h_{0} = RT[1 + a_{3} + a_{2}\Theta + \sum_{i}^{8} {}_{= 4}a_{i}E_{i}D_{i} + \frac{h_{00}}{RT}] ; (13)

s_{0} = R\{a_{3}(1 - ln\Theta) - a_{1} + \sum_{i}^{8} {}_{= 4}a_{i}[E_{i}D_{i} - ln(1 - E_{i})] + \frac{s_{00}}{R} - ln\omega\} , (14)

\Theta \Theta = T^{- 1} где ; Ei и Di — функции от , имеющие следующий вид

E_{i} = exp( - \delta_{i}\Theta),D_{i} = \delta_{i}\Theta(1 - E_{i}) . (15)

В формулах (13) и (14) h00 и s00 — значения энтальпии {_{\delta_{i}}} и энтропии жидкой фазы в точке нормального кипения (T = 20,369 К и p = 0,101325 МПа).

Коэффициенты {ai} в формулах (12) — (14) и параметры в (15), а также значения h00 и s00 приведены в таблице А.3 приложения А. Комплексы A0 — A5 в формулах (4) — (11) определяют по следующим соотношениям, полученным из fr с использованием известных дифференциальных уравнений термодинамики:

A_{0} = \sum_{j}^{1} {}_{= 1}^{4}b_{j}\phi_{j}X_{j} ; (16)

A_{1} = \sum_{j}^{1} {}_{= 1}^{4}b_{j}\phi_{j}[X_{j}(X_{j} + 1)U_{j}] ; (17)

A_{2} = \sum_{j}^{1} {}_{= 1}^{4}b_{j}\phi_{j}[X_{j}(Y_{j} + 1)] ; (18)

A_{3} = \sum_{j}^{1} {}_{= 1}^{4}b_{j}\phi_{j}[X_{j} - Y_{j}] ; (19)

A_{4} = - \sum_{j}^{1} {}_{= 1}^{4}b_{j}\phi_{j}[Y_{j} + 1] , (20)

A_{5} = - \sum_{j}^{1} {}_{= 1}^{4}b_{j}\phi_{j}[Y_{j}(Y_{j} + 1) + Q_{j}] ; (21)

где

(22)

(23)

(24)

(25)

Стандартные справочные значения коэффициента динамической вязкости нормального водорода определяют по формуле

\eta = \eta_{0}(T)[1 + A_{v}\sigma^{3}\rho M^{- 1}B_{\eta^{*}}(T^{*})] + \Delta\eta(\tau,\rho_{r}) , (26)

\Delta\eta B_{\eta^{*}}(T^{*}) \eta_{0} где , и — соответственно, коэффициент динамической вязкости нормального водорода в состоянии разреженного газа, безразмерный второй вязкостный вириальный коэффициент и избыточная по отношению к вязкости газа низкой плотности составляющая коэффициента динамической вязкости, которые определяют по формулам:

\eta_{0} = \frac{0,021357 \sqrt{MT}}{\sigma^{2}\Omega(T^{*})} ; (27)

\Omega(T^{*}) = exp[\sum^{4} {}_{i = 0i}^{a}{^{ln(T^{*})}}^{i}] ; (28)

B_{\eta^{*}} = \sum_{i}^{6} {}_{= 1}b_{i}T^{* - i} ; (29)

. (30)

(\epsilon k) \sigma \rho_{r} = \rho v_{sc} T^{*} = T(\epsilon k)

В формуле (26) Av = 0,6022137, в формулах (27) — (29) , в формуле (30) ; значения коэффициентов (ai, bi и ci) в формулах (28) — (30) приведены в таблицах А.4 — А.6 приложения А; параметры потенциала Леннарда-Джонса и и удельный объем vsc приведены в таблице А.1 приложения А. Стандартные справочные значения коэффициента теплопроводности нормального водорода вычисляют по формуле

\lambda = \lambda_{0} + \Delta\lambda + \Delta\lambda_{c} , (31)

\lambda_{0} \Delta\lambda_{c} \Delta\lambda \lambda_{0} где , и — соответственно, коэффициент теплопроводности нормального водорода в состоянии разреженного газа, избыточная по отношению к составляющая коэффициента теплопроводности и аномальная составляющая коэффициента теплопроводности в околокритической области, которые определяют по уравнениям:

\lambda_{0} = \frac{\sum_{i}^{6} {}_{= 0}a_{1i}\tau^{i}}{\sum_{i}^{3} {}_{= 0}a_{2i}\tau^{i}} ; (32)

\Delta\lambda = \sum_{i}^{5} {}_{= 1}(b_{1i} + b_{2i}\tau)\omega^{i} ; (33)

(34)

\Delta\chi = [\frac{\chi(\tau,\omega) - \chi(\tau_{ref},\omega)T_{ref}T^{- 1}}{\Gamma}] ; (35)

\xi = \xi_{0}\Delta\chi^{v\gamma} , (36)

\tilde{\Omega} = \frac{2}{\pi} [(1 - \frac{c_{v}}{c_{p}})arctg(\frac{\xi}{q_{D}}) + \frac{c_{v}}{c_{p}} (\frac{\xi}{q_{D}})] ; (37)

\tilde{\Omega}_{0} = \frac{2}{\pi} \{1 - exp[\frac{- 1}{(\frac{\xi}{q_{D}})^{- 1} + \frac{1}{3} (\xi q_{D}^{- 1}\omega^{- 1})^{2}}]\} ; (38)

\chi(\tau,\omega) = \frac{\omega z_{c}}{\tau[1 + A_{1}(\tau,\omega)]} . (39)

\xi_{0} \gamma = 1,2415

Значения коэффициентов a1i, a2i и b1i, b2i в формулах (32) и (33) приведены (\eta,\lambda) в таблицах А.7 и А.8 приложения А. Универсальные теоретически обоснованные постоянные kB = 1,380658·10-2; R0 = 1,01; v = 0,63; . Значения подгоночных параметров для нормального водорода , Г, qD, Tref приведены в таблице А.1 приложения А. В уравнениях (34), (37) — (39) теплоемкости cp, cv и расчетный комплекс A1 определяют по формулам (9), (10) и (17), соответственно.

Рассчитанные стандартные справочные значения термодинамических и переносных свойств нормального водорода и расширенные неопределенности этих значений приведены в таблицах Б.2 (линия насыщения) и Б.3 (однофазные области) приложения Б.

Расширенные неопределенности расчетных значений приведены в соответствии с ГОСТ 34100.3. (0,97 \leq \tau \leq 1,03\text{и }0,75 \leq \omega \leq 1,25)\delta p = 0,2% \delta p_{s} = \delta p' = \delta p'' = 0,2%

Расширенн \delta p ые неопределенности расчетных значений давления и плотностей на линии насыщения в околокритической области . Значения в однофазных областях в зависимости от диапазонов температур и давлений приведены в таблице 1.

Таблица 1

\delta p Значения в однофазных областях в зависимости от диапазонов температур и давлений

1,0

\delta p Для околокритической области значения определяют в соответствии с теорией переноса ошибок по формуле

\delta p = (\frac{1 + A_{0}}{1 + A_{1}})\delta p . (40)

\delta p Расширенные неопределенности расчетных значений других термодинамических свойств определяют в соответствии с теорией переноса ошибок через :

\Delta h = 0,1 + RT|(\frac{\partial A_{3}}{\partial\omega})_{\tau}|\omega\delta p/100 , (41)

{_{\gamma}} для остальных свойств (энтропии, изохорной и изобарной теплоемкостей, скорости звука):

\delta y = [\delta y_{0}y_{0}(\tau) + |(\frac{\partial y_{r}}{\partial\omega})_{\tau}|\omega\delta p]y^{- 1} , %. (42)

\delta c_{v0} = \delta c_{p0} = \delta w_{0} = 0,1% \delta s_{0} = 0,01% \delta y_{0} y_{0}(\tau)

В формуле (42) — идеально-газовая составляющая, зависящая только от температуры, y \delta\eta r = y — y0; — неопределенность значения y0: , .

Расширенные неопределенности расчетных значени 0,1 \leq \delta\eta \leq 4,0% й коэффициента динамической вязкости оценивают следующими величинами:

\delta\eta = 0,096096 + 0,039039P — в температурном диапазоне 200 <= T <= 400 К ;

; \delta\eta = 4,0%

• вне этого диапазона принимают . \delta\lambda

Расширенные неопределенности расчетных значений \delta\lambda = 4,0% коэффициента теплопроводности оценивают следующими величинами:

• в температурном диапазоне 100 \delta\lambda = 7,0% <= T <= 1000 К ;
• вне этого диапазона принимают .

Приложение А (обязательное)

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ И КОЭФФИЦИЕНТЫ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ СТАНДАРТНЫХ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ

Таблица А.1

Основные физические параметры нормального водорода

Параметр	Значение
Молярная масса M, кг/кмоль	2,01588
Газовая постоянная R, кДж/(кг·К)	4,124528
Параметры в тройной точке:
давление pt, МПа	0,007360
температура Tt, К	13,957
Параметры в критической точке:
давление pc, МПа	1,2964
температура Tc, К	33,145 \rho_{c}
плотность , кг/м3	31,262
фактор сжимаемости zc	0,303340210
Параметры потенциала Леннарда-Джонса:
энергетический , К	30,41 \sigma
размерный , нм	0,297 \Delta\eta
Параметр отнесения для расчета :
vsc, м3/кг	0,011 \Delta\lambda_{c}
Параметры для расчета :	\xi_{0}
, нм	0,15
Г	0,052
qD, нм	0,40
Tref, К	49,7175

Таблица А.2

Коэффициенты, показатели степеней и параметры уравнения для неидеальной составляющей ФУС нормального водорода (2, 3)

Таблица А.3

Коэффициенты в формулах (12) — (15) для термодинамических свойств нормального водорода в идеально-газовом состоянии

Таблица А.4

\Omega Коэффициенты ai формулы (28) для нормального водорода

Таблица А.5

B_{\eta^{*}} Коэффициенты bi формулы (29) для нормального водорода

Таблица А.6

\Delta\eta Коэффициенты ci формулы (30) для нормального водорода

Таблица А.7

\lambda_{0} Коэффициенты a1i и a2i формулы (32) для нормального водорода

Таблица А.8

\Delta\lambda Коэффициенты b₁i и b₂i формулы (33) для нормального водорода

Приложение Б (обязательное)

ТАБЛИЦЫ СТАНДАРТНЫХ СПРАВОЧНЫХ ДАННЫХ О ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ НОРМАЛЬНОГО ВОДОРОДА

Таблица Б.1

Обозначения и размерности теплофизических свойств и их неопределенностей

Таблица Б.2

Стандартные значения теплофизических свойств (давление, плотность, энтальпия, энтропия, изохорная теплоемкость) нормального водорода на кривой насыщения

Таблица Б.3

Стандартные значения теплофизических свойств (изобарная теплоемкость, скорость звука, коэффициент динамической вязкости, коэффициент теплопроводности) нормального водорода на кривой насыщения

Таблица Б.4

Стандартные значения теплофизических свойств нормального водорода в однофазной области