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甲烷固、液和气状态的温度和压强关系图 精选

已有 6924 次阅读 2016-3-11 22:41 |系统分类:科普集锦

 甲烷固、液和气状态的温度和压强关系图

岳中琦

 

甲烷(Methane)是最小分子碳氢化合物,最简单的烃类,分子式为CH4,莫耳质量是 16.04 g/mol,气体常数为518.2705 J/kg K)。它的物理化学性质(包括热力学性质)已经被人们做了大量的研究。


我认为,甲烷气体是高温高压的地核或地幔物质不断随时间形成,以气体形式,再运移到地壳下部储存。下地壳岩石地压应力极高,且致密,成为一个球形圈闭。因此,甲烷气体难以渗透出去,逐渐在地幔与地壳之间形成一薄层甲烷气球圈层。它们的不断聚集和增多,可在断裂带突然胀破致裂断裂带岩石,沿断裂带高速运移出去到上地壳、地表、海洋和大气,这就形成了地震。


特别地,今天是2011311日东日本九级大地震五周年纪念日。大地震并引发海啸,导致福岛第一核电站发生核泄漏事故。据有关统计,截至今年310日,地震和海啸共造成15894人死亡,2561人失踪,47万人被疏散,18万人尚末回到家园,121803房屋被摧毁,64988人仍居临时房屋。另外,至少有3407人因震后生活困苦或压力过大死亡。我的研究表明,大约有体积为50 km3的极高压(300 MPa)甲烷气体造成了这场地震和海啸。


不少人关心甲烷的在高温高压下的存在状态:即,固态、液态或气体。因此,甲烷在各种温度和压强下的固液气状态性质就极其重要了。


甲烷的基本热力学性质如下:在一个标准大气压强(0.101325 MPa)下,甲烷的沸点(液体转变为气体的温度)为零下 -161.5 °C它们就是液化天然气(Liquefied Natural Gas, LNG)的温度和压强。在这个温压状态下,甲烷液体的密度(density)是422.36 kg/m3,而甲烷气体的密度是1.8154 kg/m3,气液体积之比是232.654


甲烷的三相点(triple point,物质在液体、固体和气体中均衡存在,熔点)绝对温度为90.6941 K(或零下 -182.4559 °C),压强为0.011696 MPa。甲烷的临界点(Critical point or critical state)的温度为190.564 K(或零下-82.586 °C),压强为4.5922 MPa,密度为162.66 kg/m3。纯用加压方式是无法把温度高于临界温度的甲烷气体来液化的。温度和压强都大于临界温度和临界压强的甲烷气体又称为超临界气体(流体)。


根据以下论文中的实测数据,我们可知,甲烷在攝氏零度(或临界温度攝氏零下-82.586 °C)以上,从压强0.025 MPa1000 MPa,都是以气体形式存在的。造成地震的极高压甲烷气体的压强应该在300 MPa500 MPa,温度应该在攝氏零上100 °C400 °C之间。


Setzmann,U. and Wagner, W. 1991. A New Equation of State and Tables of Thermodynamic Properties for Methane Covering the Range from the Melting Line to 625 K a tPressures up to 1000 MPa, Journal of Physical and Chemical Reference Data, Vol. 20, 1061-1155; http://dx.doi.org/10.1063/1.555898

全文可在这个网址下载:http://www.nist.gov/srd/upload/jpcrd425.pdf

具体,参见以下图表。

 

201631122:30写成于香港大学黄克楼办公室




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