![\"xxx\"](\"https:\/\/www.hsu-hh.de\/thermodynamik\/wp-content\/uploads\/sites\/741\/2017\/09\/Forschung-El-Hawary1-300x118.jpg\")
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Pr\u00e4zisionsmessungen der Schallgeschwindigkeit in Fluiden unter hohem Druck<\/strong><\/p>\n (M.Sc. Tobias Dietl)<\/span><\/p>\n Im Grenzfall kleiner Frequenzen und Amplituden ist die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in einem Fluid ausbreiten, eine thermodynamische Zustandsgr\u00f6\u00dfe. Da das Quadrat der Schallgeschwindigkeit die Ableitung des Drucks nach der Dichte bei konstanter Entropie ist, sind Schallgeschwindigkeitsdaten insbesondere im Fl\u00fcssigkeitsgebiet, wo viele Eigenschaften stark von der Dichte abh\u00e4ngen, wertvoll, um pr\u00e4zise Zustandsgleichungen aufzustellen. Daher wurde am Institut eine Apparatur entwickelt, mit der die Schallgeschwindigkeit in Fluiden im Temperaturbereich zwischen 240 und 420 K unter Dr\u00fccken von bis zu 100 MPa mit hoher Genauigkeit vermessen werden kann.<\/span><\/p>\n Das Messprinzip der Apparatur basiert auf einem Impuls-Echo Verfahren, das auf Muringer et al. zur\u00fcckgeht [Phys. Chem. Liq. 14, 273, 1985]. Die Schallgeschwindigkeitssonde befindet sich in einem Druckbeh\u00e4lter, der die Messfl\u00fcssigkeit aufnimmt. Ein piezoelektrischer Kristall mit einer Resonanzfrequenz von 8 MHz dient als Schallsender und -empf\u00e4nger. Er ist im Abstand von 20 mm bzw. 30 mm zwischen zwei Reflektoren angeordnet und wird mit 60-80 Sinusperioden angeregt. Die Schallgeschwindigkeit ergibt sich als die doppelte Differenz der beiden Abst\u00e4nde zwischen Kristall und Reflektoren dividiert durch die Differenz der Zeiten, die die ausgesendeten Signale ben\u00f6tigen, um diese Strecken zu durchlaufen. Zur Messung der Zeitdifferenz wurde ein von Kortbeek et al. [Rev. Sci. Instrum. 56, 1269, 1985] entwickeltes Phasenvergleichsverfahren adaptiert und modifiziert. Die Wegdifferenz wird durch Kalibiermessungen mit deionisiertem und entgastem Wasser ermittelt. Der Druckbeh\u00e4lter wird in einem Umlaufthermostaten thermostatisiert, mit dem die Temperatur innerhalb von 0,5 mK konstant gehalten werden kann. Die Temperatur wird in der Druckbeh\u00e4lterwand mit einem kalibrierten Pt25-Sensor unter Verwendung einer Pr\u00e4zisionswechselstrombr\u00fccke gemessen. Die Druckmessung erfolgt mit zwei Gaskolbenmanometern, die mit einem Differenzdruckindikator (Membranzelle) an die Messfl\u00fcssigkeit angekoppelt werden. Die erreichten Messunsicherheiten belaufen sich auf 3 mK f\u00fcr die Temperatur, 0,01 % f\u00fcr den Druck und 0,02 % f\u00fcr die Schallgeschwindigkeit.<\/span><\/p>\n Bislang wurden die Fluide Propan, Propen und die K\u00e4ltemittel R227ea und R365mfc im Fl\u00fcssigkeitsgebiet und \u00fcberkritischen Zustandsgebiet vermessen. Au\u00dferdem wurde mit Messungen in komprimiertem Argon und Stickstoff aufgezeigt, dass mit der Apparatur auch Schallgeschwindigkeiten in komprimierten Gasen mit hoher Genauigkeit gemessen werden k\u00f6nnen. Die Daten f\u00fcr Argon und Stickstoff stimmen mit hochgenauen Literaturdaten, die mit dem in Gasen \u00fcblicherweise angewendeten Kugelresonatorverfahren gemessen wurden, im \u00dcberlappungsbereich der beiden Messverfahren innerhalb von 30 ppm \u00fcberein.<\/span><\/p>\n Zu diesem Projekt gibt es auch zwei Poster, welche neben einer ausf\u00fchrlichen Projektbeschreibung auch eine kurze Darstellung der Messergebnisse f\u00fcr diverse Fluide pr\u00e4sentieren.<\/span><\/p>\n<\/div>\n Aufbau und Betrieb eines automatisierten Biegeschwingers f\u00fcr die Messung von Fl\u00fcssigkeitsdichten<\/strong><\/p>\n F\u00fcr die Erstellung von Zustandsgleichungen f\u00fcr reine Fluide und Gemische werden genaue Messwerte der Dichte ben\u00f6tigt. An der Professur wird daher ein Dichtemessger\u00e4t der Firma Anton Paar nach dem Biegeschwingerprinzip f\u00fcr Messungen unter hohen Dr\u00fccken f\u00fcr den automatisierten Betrieb aufgebaut. Der Biegeschwinger arbeitet unter Dr\u00fccken von bis zu 100 MPa im Temperaturbereich zwischen -10 \u00b0C und +200 \u00b0C. Dar\u00fcber hinaus wird eine Infrastruktur f\u00fcr die Herstellung von Gemischen, d. h. eine W\u00e4gevorrichtung und Beh\u00e4lter zur Aufbewahrung von Gemischen unter Druck, aufgebaut.<\/p>\n Aufbau und Betrieb eines Schwingdrahtviskosimeters mit simultaner Dichtemessung f\u00fcr Gase<\/strong><\/p>\n (M.Sc. Ulrike Kochan-Eilers)<\/p>\n An der Professur f\u00fcr Thermodynamik wird derzeit ein Schwingdrahtviskosimeter mit kombinierter Dichtemessung zur Bestimmung der Viskosit\u00e4t und Dichte von reinen Gasen und Gasgemischen wieder aufgebaut. Das Viskosimeter wurde urspr\u00fcnglich in der Arbeitsgruppe von E. Vogel an der Universit\u00e4t Rostock entwickelt und dort \u00fcber viele Jahre f\u00fcr Messungen an reinen Gasen eingesetzt. Literatur:<\/strong><\/p>\n S. Herrmann, E. Hassel und E. Vogel: Viscosity and density of isobutane measured in wide ranges of temperature and pressure including the near-critical region. AIChE Journal 61, 3116-3137, 2015. Thermophysikalische Eigenschaften von Fluiden k\u00f6nnen heutzutage sehr genau rein theoretisch (ab initio) ermittelt werden. Daf\u00fcr werden Paarpotentiale, die die Wechselwirkungsenergien zwischen zwei Molek\u00fclen als Funktion ihres Abstandes und ihrer gegenseitigen Orientierung beschreiben, ben\u00f6tigt. F\u00fcr Berechnungen an dichten Gasen und Fl\u00fcssigkeiten m\u00fcssen auch sogenannte nichtadditive Dreik\u00f6rperwechselwirkungen ber\u00fccksichtigt werden. Wechselwirkungsenergien werden in der Arbeitsgruppe mittels des Supermolek\u00fclansatzes unter Verwendung g\u00e4ngiger quantenchemischer Programmpakete wie z.B. CFOUR oder ORCA bestimmt. Derartige Berechnungen m\u00fcssen f\u00fcr sehr viele Teilchenabst\u00e4nde und Orientierungen durchgef\u00fchrt werden, um eine m\u00f6glichst vollst\u00e4ndige Beschreibung der zwischenmolekularen Wechselwirkung zu erhalten.<\/p>\n An die berechneten Wechselwirkungsenergien werden im n\u00e4chsten Schritt geeignete mathematische Funktionen angepasst. Mit diesen Potentialfunktionen k\u00f6nnen dann beispielsweise zweite, dritte und h\u00f6here Virialkoeffizienten mittels der statistischen Thermodynamik bestimmt werden. Transporteigenschaften in verd\u00fcnnten Gasen und Gasgemischen sind aus den Paarpotentialen mit Hilfe der kinetischen Gastheorie zug\u00e4nglich, wobei die hierf\u00fcr entwickelten Computercodes und das dazugeh\u00f6rige Wissen in der Arbeitsgruppe weltweit einmalig sind. In Zukunft sollen auch molekulardynamische Simulationen und Monte-Carlo-Simulationen durchgef\u00fchrt werden. In solchen Simulationen werden heutzutage immer noch fast ausschlie\u00dflich empirische Potentialfunktionen verwendet, wodurch die erreichbare Genauigkeit erheblich einschr\u00e4nkt wird.<\/p>\n Wenn immer m\u00f6glich, werden die berechneten Werte der thermophysikalischen Eigenschaften mit eigenen experimentellen Messergebnissen und\/oder experimentellen Daten aus der Literatur verglichen, um dadurch eine gegenseitige \u00dcberpr\u00fcfung von Theorie und Experiment zu erm\u00f6glichen. Ein gro\u00dfer Vorteil der ab initio-Modellierung gegen\u00fcber Experimenten ist, dass eine hohe Genauigkeit auch bei sehr tiefen und sehr hohen Temperaturen sowie f\u00fcr giftige, korrosive und explosive Stoffe und Stoffgemische erzielt werden kann. Der experimentelle Aufwand ist in solchen F\u00e4llen oft unvertretbar hoch.<\/p>\n F\u00fcr die theoretischen Arbeiten betreibt die Arbeitsgruppe mehrere leistungsstarke Rechenserver. Zudem wird der High-Performance-Computing-Cluster der Fakult\u00e4t f\u00fcr Maschinenbau f\u00fcr einen Teil der Berechnungen genutzt.<\/p>\n Pr\u00e4zisionsmessungen der Schallgeschwindigkeit in Fluiden unter hohem Druck mehr lesen“ class=“out (M.Sc. 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( Dipl.-Ing.<\/abbr> Michael Meschkat)<\/p>\n
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Zur Messung der Viskosit\u00e4t dient ein in Schwingungen versetzter d\u00fcnner Draht, aus dessen Resonanzfrequenz und D\u00e4mpfung die Viskosit\u00e4t des umgebenden Gases bestimmt werden kann. Die Dichtemessung erfolgt mit einem Ein-Senkk\u00f6rper-Verfahren nach dem Auftriebsprinzip von Archimedes, wobei eine Magnetschwebewaage der Firma Rubotherm aus Bochum eingesetzt wird. Das Instrument deckt den Temperaturbereich zwischen 273 K und 473 K unter Dr\u00fccken von bis zu 30 MPa ab. Die bisher in Rostock erreichten Messunsicherheiten belaufen sich auf 0,25 \u2013 0,3 % f\u00fcr die Viskosit\u00e4t und 0,1 % oder besser f\u00fcr die Dichte.<\/p>\n
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(Dr. rer. nat. Robert Hellmann)<\/p>\n
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