- PII
- S30345715S0235010625050037-1
- DOI
- 10.7868/S3034571525050037
- Publication type
- Article
- Status
- Published
- Authors
- Volume/ Edition
- Volume / Issue number 5
- Pages
- 444-454
- Abstract
- This study presents a universal approach for describing thermal radiation of molten fifth-period d-metals (yttrium, zirconium, niobium, molybdenum, rhodium, palladium) using dimensional analysis based on Buckingham’s π-theorem. The key achievement is the reduction of complex mathematical descriptions of radiant heat flux density to a single dimensionless variable – the ratio of molar entropy to the universal gas constant (S/R). Critically, this approach significantly simplifies the analysis of radiative characteristics in liquid metals. Furthermore, the proposed methodology demonstrates remarkable universality and reproducibility across the entire group of studied elements. The methodology involves flux normalization at a fixed S/R = 14 value, corresponding to the characteristic entropy disorder level of these metal melts. To account for temperature-dependent density variations, a reduced radiation flux is introduced, compensating for melt density changes with temperature. The logarithm of the ratio between reduced radiation flux and individual scale flux (defined for each metal at S/R = 14) follows an exponential dependence. The resulting universal correlation shows excellent consistency (R² ≥ 0.98) across all period elements, confirming its statistical significance. Predicted values calculated using this correlation agree well with both experimental measurements and approximated data, showing mean deviations of ~4.3%. Notably, the normalized scale flux exhibits periodic variations with increasing atomic number, mirroring the behavior of surface tension at melting points. This suggests a common structural-energy origin for both radiative and surface properties of molten metals. The developed approach enables reliable prediction of liquid d-metals’ emissivity in the absence of experimental data and provides a foundation for modeling complex multicomponent metallic systems. These results hold significant implications for metallurgy, materials science, and thermal physics applications, including alloy development and high-temperature process optimization.
- Keywords
- жидкие металлы излучательная способность энтропия d-металлы пятого периода нормированная энтропия размерный анализ π-теорема Бекингема
- Date of publication
- 01.05.2025
- Year of publication
- 2025
- Number of purchasers
- 0
- Views
- 20
References
- 1. Свет Д.Я. Оптические методы измерения истинных температур. М.: Наука. 1982.
- 2. Излучательные свойства твердых материалов: Справочник / Под ред. А.Е. Шейндлина. М.: Энергия. 1974.
- 3. Белащенко Д.К. Структура жидких и аморфных металлов. М.: Металлургия. 1985.
- 4. Баум Б.А. Металлические жидкости. М.: Наука. 1979.
- 5. Ашкрофт Н., Мермин Н. Физика твердого тела. В 2 Т. Т. 1. М.: Мир. 1979.
- 6. Ирхин В.Ю., Ирхин Ю.П. Электронная структура, физические свойства и корреляционные эффекты в d- и f-металлах и их соединениях. М.–Ижевск: РХД. 2008.
- 7. Приходько И.М., Кошман В.С. О закономерностях для теплоемкости элементов периодической системы Д. И. Менделеева // Инж.-физ. ж. 1983. Т. 45. № 6. С. 969.
- 8. Вертоградский В.А. Корреляция характера температурной зависимости электросопротивления, значений удельного сопротивления и температурного коэффициента теплопроводности металлов // Инж.-физ. ж. 1974. Т. 27. № 4. С. 631.
- 9. Пиралишвили Ш.А., Веретенников С.В., Гурьянов А.И. Теория подобия и анализ размерностей. Рыбинск: РГАТУ им. П.А. Соловьёва. 2012.
- 10. Панфилович К.Б. Тепловое излучение и поверхностное натяжение жидких металлов и сплавов. Казань: КГТУ. 2009.
- 11. Косенков Д.В., Сагадеев В.В., Кашапов Н.Ф. Тепловое излучение ряда жидких металлов // Теплофизика высоких температур. 2022. Т. 60. № 6. С. 855–859. https://doi.org/10.31857/S0040364422060114
- 12. Косенков Д.В., Сагадеев В.В. Излучательная способность элементов подгруппы скандия // Расплавы. 2025. № 1. С. 35–45. https://doi.org/10.31857/S0235010625010043
- 13. Косенков Д.В., Сагадеев В.В. Исследование излучательной способности циркония и гафния в широком диапазоне температур // Журнал технической физики. 2024. Т. 94. № 8. С. 1356–1361. https://doi.org/10.61011/JTF.2024.08.58564.278-23
- 14. Косенков Д.В., Сагадеев В.В., Аляев В.А. Степень черноты ряда металлов VIII группы Периодической системы // Теплофизика и аэромеханика. 2021. Т. 28. № 6. С. 951–956. https://doi.org/10.1134/S0869864321060147
- 15. Термодинамические свойства индивидуальных веществ: электронный справочник: в 6 т. / Под ред. В.П. Гурвича. М.: Наука, 2010. URL: http://twt.mpei.ac.ru
- 16. Arblaster J.W. The thermodynamic properties of palladium on ITS-90 // Calphad. 1995. V. 19. I. 3. P. 327–337. https://doi.org/10.1016/0364-5916 (95)00030-I
- 17. Arblaster J.W. The thermodynamic properties of rhodium on ITS-90 // Calphad. 1995. V. 19. I. 3. P. 357–364. https://doi.org/10.1016/0364-5916 (95)00033-B
- 18. Ntonti E., Sotiriadou S., Assael M.J. et al. Reference correlations for the density and thermal conductivity and review of viscosity measurements, of liquid titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, and tungsten // Int. J. Thermophys. 2024. Vol. 45. № 18. P. 1–40. https://doi.org/10.1007/s10765-023-03305-z
- 19. Paradis P.F., Ishikawa T., Koike N. Thermophysical Properties of Molten Yttrium Measured by Non-contact Techniques // Microgravity Sci. Technol. 2009. V. 21. P. 113–118. https://doi.org/10.1007/s12217-008-9074-8
- 20. Paradis P.F., Ishikawa T., Saita Y. et al. Containerless Property Measurements of Liquid Palladium // Int. J. Thermophys. 2004. V. 25. P. 1905–1912. https://doi.org/10.1007/s10765-004-7744-3
- 21. Paradis P.F., Ishikawa T., Yoda S. Thermophysical Property Measurements of Supercooled and Liquid Rhodium // Int. J. Thermophys. 2003. V. 24. P. 1121–1136. https://doi.org/10.1023/A:1025065304198
- 22. Pottlacher G. High temperature thermophysical properties of 22 pure metals // High Temp.-High Press. 2022. V. 51. № 1. P. 1–152.
- 23. Siegel R., Howell J.R. Thermal Radiation Heat Transfer. New York: Taylor & Francis. 2010.
- 24. Попель С.И. Поверхностные явления в расплавах. Москва: Металлургия. 1994.
