ЗАВИСИМОСТЬ МОЛЯРНОЙ ВЯЗКОСТИ ВОДЫ В ЖИДКОМ И ФЛЮИДНОМ СОСТОЯНИЯХ ОТ ДАВЛЕНИЯ
Аннотация
Аномальное уменьшение вязкости воды с ростом давления известно уже более века. Считается, что этот эффект обусловлен, прежде всего, существованием тетраэдрической сетки водородных связей между молекулами воды. Для описания зависимости вязкости воды от давления пока существует лишь несколько моделей. Учитывая существование двух механизмов вязкого течения в жидкой и газовой фазах, мы предлагаем подход, который рассматривает воду в широком интервале температур и давлений как находящуюся в двух состояниях: жидкость и флюид. Показано, что в отличие от изученных ранее простых жидкостей и флюидов с универсальным типом межмолекулярных взаимодействий, для которых характерны линейные зависимости между молярными свойствами вязкости и объема при изменении давления, вода и спирты способны к образованию водородных связей, что приводит к нарушению линейных корреляций. В работе на основе использования метода рациональных параметров и концепции свободного объема представлены двухпараметрические уравнения для описания изотерм барической зависимости мольных характеристик вязкого течения (Fm и ηm) в области давлений от 0,1 до 100 МПа для жидкой воды (от 273 до 373 К) и для флюида (от 373 до 1023 К). Использование методов регрессионного анализа позволило определить статистически значимые коэффициенты уравнений. Показано, что изменение вязкости воды от давления можно описать через изменение молярного объема и плотности упаковки молекул в жидкости или флюиде. Для оценки адекватности описания барических зависимостей вязкого течения воды и спиртов проведено сравнение предложенного подхода с некоторыми моделями (Эйринга, Тэйта, теория трения и др.). Удовлетворительное согласие полученных в работе результатов с имеющимися в литературе экспериментальными данными показывает, что предложенные уравнения позволяют учитывать специфическую молекулярную структуру ассоциированных жидкостей и относительно просты по сравнению с другими соотношениями для описания изотерм вязкого течения в широком интервале давлений.
Литература
Scholz Ch.W., Span R. Measurement of the (p, v, T) behavior of liquid MEA and DEA at temperatures from (293.15 to 423.15) K and pressures up to 90 MPa. Inter. J. Thermophys. 2021. V. 42. N 3. P. 70. DOI: 10.1007/s10765-021-02808-x.
Cavuoto G., von Preetzmann V., Eckmann Ph., Li J., van der Veen A.M.H., Kleinrahm R., Richter M. Density measurements of two liquefied biomethane-like mixtures over the temperature range from (100 to 180) K at pressures up to 9.0 MPa. Inter. J. Thermophys. 2021. V. 42. N 2. P. 43. DOI: 10.1007/s10765-020-02791-9.
Ono T., Amezawa R., Igarashi A., Ota M., Sato Y. Measurements and correlations of density and viscosity for short chain (C1-C3) n-alcohol – water mixtures in the temperature range from 350.7 K to 476.2 K at pressures up to 40 MPa. Fluid Phase Equilibr. 2016. V. 407. P. 198-208. DOI: 10.1016/j.fluid.2015.07.012.
Silva C.M., Liu H. Modelling of transport properties of hard sphere fluids and its applications. Lect. Notes Phys. 2008. V. 753. P. 383-492. DOI: 10.1007/978-3-540-78767-9 9.
Zéberg-Mikkelsen C.K., Quiñones-Cisneros S.E., Stenby E.H. Viscosity modeling of associating fluids based on the friction theory: pure alcohols. Fluid Phase Equilibr. 2002. V. 194-197. P. 1191–1203. DOI: 10.1016/S0378-3812(01)00776-2.
Viswanath D.S., Ghosh T., Prasad D.H.L., Dutt N.V.K., Rani K.Y. Viscosity of liquids: Theory, estimation, ex-periment, and data. Springer. 2007.
Shukla D., Singh S., Parveen S., Gupta M., Shukla J.P. A corresponding state model for the prediction of the viscosity of pure liquids and liquid mixtures. J. Mol. Liq. 2007. V. 136. P. 111-116. DOI: 10.1016/j.molliq.2007.02.005.
Macías-Salinas R., García-Sánchez F., Hernandez-Garduza O. Viscosity model for pure liquids based on Eyring theory and cubic EOS. AIChEJ. 2003. V. 49. P. 799–804. DOI: 10.1002/aic.690490324.
Llovell F., Marcos R.M., Vega L.F. Freevolume theory coupled with soft-SAFT for viscosity calculations: Com-parison with molecular simulation and experimental data. J. Phys. Chem. B. 2013. V. 117. P. 8159-8171. DOI: 10.1021/jp401307t.
Tyunina E.Yu., Badelin V.G. Isoterms of the molar viscosity of liquids and fluids over a wide range of pres-sures. Russ. J. Phys. Chem. A. 2018. V. 92. N 10. P. 1870-1876. DOI: 10.1134/S0036024418100357.
Lafrad F., Tassaing T., Kiselev M., Idrissi A. The local structure of sub- and supercritical water as studied by FTIR spectroscopy and molecular dynamics simulations. J. Mol. Liq. 2017. V. 239. P. 61-67. DOI: 10.1016/j.molliq.2016.07.093.
Chakraborty D., Chandra A. An analysis of voids and necks in supercritical water. J. Mol. Liq. 2011. V. 163. P. 1-6. DOI: 10.1016/j.molliq.2011.06.017.
Sengers J.V., Watson J.T.R. Improved international formulations for the viscosity and thermal conductivity of water substance. J. Phys. Chem. Ref. Data. 1986. V. 15. P. 1291-1314. DOI: 10.1063/1.555763.
Gorbaty Y., Bondarenko G.V. Transition of liquid water to the supercritical state. J. Mol. Liq. 2017. V. 239. P. 5-9. DOI: 10.1016/j.molliq.2016.06.040.
Tyunina E.Yu., Kuritsyna A.A. Heat capacity properties of aqueous buffer solutions of L-histidine in a wide temperature range. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 11. P. 78-84. DOI: 10.6060/ivkkt.20196211.6082.
Tyunina E.Yu., Badeline V.G. Sublimation effects and volume effects in the crystals of amino acids, peptides, and their some acetyl derivatives. Russ. J. Gen. Chem. 2013. V. 83. P. 708-716. DOI: 10.1134/S1070363213040178.
Tyunina E.Yu. Molar viscosity of liquids metals over range of 300-4000 K. Zhurn. Fizich. Khim.. A. 2014. V. 88. P. 557-563 (in Russian). DOI: 10.7868/S0044453714040323.
Assael M.J., Polimatidou S.K. Measurements of the viscosity of alcohols in the temperature range 290 – 340 K at pressures up to 30MPa. Inter. J. Thermophys. 1994. V. 15. P. 95-107. DOI: 10.1007/BF01439248.
Parvaneh Kh., Haghbakhsh R., Rahimpour M.R. High pressure viscosity modeling of pure alcohols based on classical and advanced equation of state. J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2016. V. 58. P. 57-70. DOI: 10.1016/j.jtice.2015.05.040.
Quiňones S.E., Deiters U.K. Generalization of the friction theory for viscosity modeling. J. Phys. Chem. B. 2006. V. 110. P. 12820-12834. DOI: 10.1021/jp0618577.
Liu X., Zhu Ch., He M., Zhang Y. Correlation for viscosities of pure liquids at high pressures. J. Mol. Liq. 2017. V. 231. P. 404-410. DOI: 10.1016/j.molliq.2017.02.026.
Wonham J. Effect of pressure on the viscosity of water. Nature. 1967. V. 215. P. 1053-1054. DOI: 10.1038/2151053a0.
