Аналіз термодинамічних характеристик металогідридних систем для зберігання водню з використанням модифікованої схеми теорії збурень

Анотація

Застосування гідридів інтерметалічних сполук (ІМС) для реалізації робочих процесів термосорбційних компресорів, теплових насосів, систем зберігання, очищення і програмованої подачі водню обумовлено низкою унікальних властивостей цих сорбентів водню. Це, перш за все, те, що насичення воднем ІМС з великою сорбційною ємністю відбувається за порівняно «м'яких» термодинамічних умов, а також вибірковість сорбційних процесів і наявність ефекту термодесорбційного активування атомів і молекул ізотопів водню. Робота присвячена опису фазових рівноваг в гідридах ІМС. Запропонований підхід до проблеми розрахунку фазових рівноваг в металогідридах полягає у визначенні властивостей решіткового газу атомів водню і рівноважної з ним молекулярної фази в рамках єдиного методу - модифікованої теорії збурень. Термодинамічний опис водневої підсистеми в області невпорядкованих α-, β-фаз виконано на базі моделі неідеального (взаємодіючого) решіткового  газу атомів водню. Водночас враховано як пряму взаємодію між атомами водню, так і непрямі «деформаційні» вклади в потенціальну енергію внаслідок розширення решітки під час розчинення водню. Моделювання фазових переходів в системах ІМС-водень на базі модифікованої схеми теорії збурень дає правильний опис основних особливостей фазових діаграм в широкому діапазоні тисків водню. За умови рівності хімічних потенціалів Н-підсистеми гідриду та Н₂-фази (в розрахунку на атом Н) отримані рівняння, що зв'язують тиск газоподібної фази Н₂ з параметрами гідриду с і Т (фазові діаграми). В запропонованій обчислювальній процедурі не використовуються підгінні параметри або емпіричні кореляції, і вона спирається на атомні характеристики водневої підсистеми та металевої матриці, що мають однозначне фізичне значення. Як об'єкт дослідження обрано гідрид інтерметаліду LaNi₅. Особливий інтерес викликає розташування критичної точки β→α-переходу в системі LaNi₅ – водень, для якої відсутні значення параметрів, отриманих експериментально. В роботі наведені розрахункові значення критичних параметрів β→α-переходу Т_с=445 K, p_c=87 атм. Визначені розрахунковим шляхом дані про термодинамічні параметри α→β–переходу (ентальпія, ентропія і тиск на плато ізотерм) дають можливість окреслити межі розчинності водню в LaNi₅ за тисків до 500 атм та добре узгоджуються з наявними в літературі експериментальними даними.