"ГОСТ Р 8.1020-2023. Национальный стандарт Российской Федерации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метан жидкий и газообразный. Термодинамические свойства, коэффициенты динамической вязкости и теплопроводности в диапазоне температур от 91 до 700 К и давлениях до 100 МПа"
(утв. и введен в действие Приказом Росстандарта от 03.02.2023 N 38-ст)

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. N 38-ст

4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Настоящий стандарт устанавливает значения стандартных справочных данных плотности , энтальпии h, энтропии s, изобарной теплоемкости c_p, изохорной теплоемкости c_v, скорости звука w, коэффициента динамической вязкости и коэффициента теплопроводности метана как в однофазных областях (газ, жидкость и флюид), так и на линии фазового перехода газ-жидкость (линии насыщения), а также значения давления насыщения p_s жидкого и газообразного метана.

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.

Стандартные справочные данные значений (ГОСТ Р 8.614, ГОСТ 8.566) , h, s, c_p, c_v, w и p_s рассчитывают по единому для жидкой и газовой фаз фундаментальному уравнению состояния (ФУС) - зависимости свободной энергии (функции Гельмгольца) F от плотности и температуры T

где f, f₀ и f_r - безразмерные полная свободная энергия, идеально-газовая и неидеальная составляющие свободной энергии соответственно;

- относительная плотность, ;

- относительная температура, .

Значения плотности и температуры T_c метана в критической точке приведены в таблице А.1 (приложение А).

Уравнение для неидеальной составляющей свободной энергии имеет следующий вид:

где

В формулах (2) и (3) b_j - коэффициенты уравнения состояния, значения которых вместе с показателями степеней r_j, t_j, l_j и параметрами g_j, , , , приведены в таблице А.2 (приложение А).

Плотность в однофазных областях при заданных значениях давления p и температуры T определяют по формуле

где ;

; значения давления p_кр и фактора сжимаемости z_кр в критической точке, а также газовой постоянной R метана приведены в таблице А.1 (приложение А).

Плотности газовой и жидкой фаз на линии насыщения при заданной температуре T определяют из условий фазового равновесия в результате решения следующей системы уравнений:

где - безразмерная неидеальная составляющая изобарно-изотермического потенциала (потенциала Гиббса)

Давление на линии насыщения p_s определяют по уравнению (3) для .

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, ) вычисляют по формулам:

где h₀, s₀, c_v0 - энтальпия, энтропия и изохорная теплоемкость в идеально-газовом состоянии.

Термодинамические свойства в идеально-газовом состоянии определяют по формулам:

где , p_ст = 0,101325 МПа; ; ; теплота сублимации равновесного кристалла при 0 К (см. [1]) , а коэффициенты и приведены в таблице А.3 (приложение А).

Комплексы A₀ - A₅ в формулах (4) - (11) определяют по следующим соотношениям, полученным из уравнения (2) для f_r с использованием известных дифференциальных уравнений термодинамики:

где

Стандартные справочные значения коэффициента динамической вязкости метана вычисляют по формуле

где и - соответственно, коэффициент динамической вязкости метана в разреженном состоянии и избыточная по отношению к составляющая коэффициента динамической вязкости, определяемые по формулам:

Значения коэффициентов a_i, c_i в формулах (27), (28) и показателей степеней r_i, t_i в формуле (28) приведены в таблицах А.4, А.5 (приложение А).

Стандартные справочные значения коэффициента теплопроводности метана вычисляют по формуле

где , и - соответственно, коэффициент теплопроводности метана в разреженном состоянии, избыточная по отношению к составляющая коэффициента теплопроводности и неаналитическая (аномальная) составляющая коэффициента теплопроводности, определяемые по формулам:

где , .

Значения коэффициентов a_i, d_i в формулах (30) - (32) и показателей степеней r_i, t_i в формуле (31) приведены в таблицах А.4 и А.6 (приложение А).

Обозначения и размерности термодинамических свойств и их неопределенностей приведены в таблице Б.1 (приложение Б).

Рассчитанные стандартные справочные значения термодинамических и переносных свойств метана приведены в приложении Б [таблицы Б.2 и Б.3 (линия насыщения) и таблица Б.4 (однофазные области)].

Неопределенность термодинамического свойства A вычисляют по формуле

где t_c - квантиль Стьюдента при вероятности 95%;

G - обобщенная матрица ошибок, G = s²K^-1 + Q + B;

s²K^-1, Q и B - ковариационные матрицы, учитывающие соответственно случайные, систематические и вычислительные составляющие неопределенности;

r - вектор производных от функции A по коэффициентам b уравнения (1); верхний индекс "т" означает транспонированный вектор.

Вектор r_p при независимых переменных давлении p и температуры T вычисляют по формуле

Полные производные термодинамических функций F при переменных коэффициентах b и плотности, которая сама зависит от b, вычисляют следующим образом:

Неопределенности табличных значений приведены в соответствии с ГОСТ 34100.3.

Неопределенности табличных значений коэффициента динамической вязкости определяют по формуле

где - относительная неопределенность расчетных значений , рассчитана по выражению, аналогичному (33), где матрица G и вектор r определены для формулы (28), %.

Неопределенности табличных значений коэффициента теплопроводности , %, определяют по формуле

где - относительная неопределенность расчетных значений , рассчитана по формуле, аналогичной (33), где матрица G и вектор r определены для формул (31), (32).

Расширенные неопределенности расчетных значений стандартных справочных данных приведены в таблицах Б.2 и Б.3 (линия насыщения) и Б.4 (однофазные области) приложения Б, где для всех теплофизических свойств, кроме энтальпии, приведены относительные величины неопределенностей , %; для энтальпии приведена абсолютная величина , кДж/кг.