Давление газа
Давление - это отношение силы к площади, на которую действует сила, Н/м2.
Молекулы газов постоянно находятся в движении по прямой, во всевозможных направлениях. Когда газ заключён в сосуд, то молекулы постоянно соударяются о стенки сосуда, создавая те самым давление. Таким образом, давление - это суммарная сила соударения молекул на единицу площади поверхности сосуда. При нагревании скорость движения молекул возрастает, а вместе с ней увеличивается и давление газа в сосуде.
Различают:
Рабочее давление - это давление в сосуде, при котором оно может эксплуатироваться при фактической температуре рабочей среды и окружающего воздуха.
Пробное давление - это давление, при котором производятся гидравлические испытание на прочность.
Абсолютное давление – это избыточное давление + атмосферное давление.
Избыточное давления – если давление больше атмосферного, оно называется избыточным, если Вакуумметрическое давление (давление разряжения) – когда давление меньше атмосферного.
Атмосферное давление - давление атмосферы на все находящиеся в ней предметы и земную поверхность. Атмосферное давление создаётся гравитационным притяжением воздуха к Земле. Атмосферное давление измеряется барометром. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм. при температуре 0 °C, называется нормальным атмосферным давлением.
Единицы измерения давления:
Атмосферное давление может измеряться не только высотой ртутного столба. Например:
Одна физическая атмосфера = 101325 Па, или 1, 01325 кгс/см2, или 10,1325 м.в.ст., и т.д.
Техническая же атмосфера приравнивается ровно к 100000 Па, то есть одна техническая атмосфера приблизительно равна одной физической атмосфере.
Единицы измерения связаны между собой:
1 техническая атмосфера = 1кгс/см2 = 1 бар = 10 м. в. ст. = 10000 мм.в.ст. = 760 мм. р. ст. = 0,1 МПа = 1000 мили бар = 100 кПа.
Плотность - это отношение массы тела к его объёму, измеряется в кг/м3.
Плотность газов в парообразном состоянии, при нормальных условиях (температуре 0 °С и давлении101,325 кПа):
У метана 0,717 кг/м3;
У пропана 2,004 кг/м3;
У бутана 2,702 кг/м3;
Для сжиженных углеводородных газов жидком состоянии соответственно:
У метана 416 кг/м3 (0,4 кг/литр);
У пропана 528 кг/м3 (0,5 кг/литр);
У бутана 601 кг/м3 (0,6 кг/литр);
Если сравнивать с плотностью воды, равной 1000 кг/м3 или 1 кг/литр, получится что газы в жидком состоянии примерно в два раза легче воды.
Плотность газов в парообразном состоянии, при стандартных условиях (температуре +20 °С и давлении101,325 кПа):
У метана 0,668 кг/м3;
У пропана 1,872 кг/м3;
У бутана 2,519 кг/м3;
Следовательно, с повышением температуры плотность газов уменьшается!
Относительная плотность - это плотность газа по отношению к плотности воздуха, которая равна 1,293 кг/м3.
У метана 0,717 / 1,293 = 0,554 кг/м3;
У пропана 2,004 / 1,293=1,554 кг/м3;
У бутана 2,702 / 1,293= 2,090 кг/м3;
Следовательно, метан легче воздуха примерно в два раза, а пропан и бутан тяжелее воздуха примерно в два раза!
Температура - это степень нагретости тела. Температура вещества в значительной степени определяет его свойства. Например, вещества в обычных условиях являющиеся жидкими - при нагревании переходят в газообразное, а при охлаждении в твёрдое.
Абсолютная температура - это температура, при которой прекращается молекулярное движение, ниже которой не может быть охлаждено ни одно тело, и она равна - 273,15 °С.
Температура кипения - температура, при которой происходит переход вещества из жидкого состояния в парообразное. У бутана (- 0,5 °С), у пропана (- 42 °С), у метана (-161 °С).
Температура горения - температура, которая развивается при полном сгорании топлива. У пропана и бутана примерно (+ 2110 °С), у метана (+2045 °С).
Температура самовоспламенения - температура, до которой следует нагреть смесь, чтобы дальнейшее горение происходило без источника зажигания. У пропана (500 - 590 °С), у бутана (530 - 570 °С), у метана (550 - 800 °С).
Виды защит стальных газопроводов от коррозии. Что должно быть сделано при производстве работ с применением сварки, на действующих газопроводах, и перед проведением работ, связанных с разъединением газопроводов.
Все стальные газопроводы подвергаются коррозии. Коррозия внутренних поверхностей труб зависит от свойств газа. Способствует развитию коррозии повышенное содержание в газе кислорода, влаги, сероводорода и других агрессивных соединений. Борьба с внутренней коррозией сводится к очистке самого газа.
Коррозия внешних поверхностей труб, уложенных в грунт, разделяется на три вида - химическая, электрохимическая, электрическая.
Химическая и электрохимическая коррозия связана с влиянием почвы, электрическая – с влиянием блуждающих токов в почве, стекающих с рельсов электрифицированного транспорта.
Химическая коррозия определяется степенью влажности грунта и присутствием в почве солей, кислот, щелочей, органических веществ. Этот вид коррозии не сопровождается электрическими процессами. Толщина трубы уменьшается равномерно по длине, что исключает опасность сквозных повреждений трубы. Для предохранения труб от химической коррозии используется пассивный метод защиты. Трубопровод изолируют битумно-резиновой мастикой, либо полимерными лентами. В нашем регионе используется изоляция весьма усиленного типа (праймер, мастика, стеклохолст, мастика, стеклохолст, мастика, крафт-бумага). Также может использоваться изоляция экструдированным полиэтиленом.
Электрохимическая коррозия является результатом взаимодействия металла, играющего роль электрода, с агрессивными растворами грунта - электролитами. Металл посылает в грунт положительно заряженные ионы (катионы). Теряя катионы, металл разрушается. Участок трубы заряжается отрицательно, а почва – положительно. Электрохимическая коррозия может привести к образованию сквозных отверстий в трубе. Для защиты газопровода от электрохимической коррозии используют катодную (активную) защиту. На газопровод накладывается отрицательный потенциал от катодной станции. Защищённый участок азопровода становится катодной зоной. В качестве анода применяют магниевые жертвенные электроды, располагаемые вблизи трубопровода. Анод, теряя катионы, уходящие в почву, разрушается. Катионы поступают на трубу, а затем в электрическую цепь. Разрушение трубы не происходит, так как из неё не уходят её катионы. Одна катодная станция защищает участок газопровода длиной 1-20 км. (в зависимости от количества жертвенных электродов).
Существует протекторная защита от электрохимической коррозии. Отличие этого вида защиты от катодной состоит в том, что участок газопровода превращается в катод без катодной станции. В качестве анода – протектора используется металлический стержень, помещенный в грунт рядом с газопроводом. Электрическая цепь такая же, как при катодной защите. Металл анода – протектора – цинк, сплавы магния и алюминия, имеющие больший отрицательный потенциал, чем черные металлы. Защитная зона одной протекторной установки до 70 метров.
Электрическая коррозия, как уже отмечалось, связана с блуждающими токами, стекающими с рельс электрифицированного транспорта в почву. Двигаясь к отрицательному полюсу тяговой подстанции, блуждающие токи попадают на газопровод в местах повреждения изоляции. Вблизи тяговой подстанции блуждающие токи выходят из газопровода в грунт в виде катионов, что ведёт к разрушению металла. Электрическая коррозия более опасна, чем электрохимическая. Для защиты от электрической коррозии используют электрический поляризованный дренаж.
Принцип его работы заключается в том, что ток, попавший на газопровод, отводится обратно к источнику блуждающего тока.
Для защиты надземных газопроводов от коррозии, на них наносят лакокрасочные покрытия (два слоя грунтовки и два слоя краски).
При производстве работ, связанных с применением сварочных и огневых работ (не проникающих в газопровод - приварка, замена прокладок фланцевых соединений и т.п.), давление газа должно быть снижено до 40 - 200 мм. в.ст. В случае отклонения давления газа от заданных параметров работы должны быть приостановлены до выявления причин и их устранения.
При производстве работ, связанных с разъединением газопроводов – необходимо отключить активную защиту (если такая имеется) и установить электроперемычку.
Инструкция
Найдите давление идеального газа при наличии значений средней скорости , массы одной молекулы и концентрации по формуле P=⅓nm0v2, где n – концентрация (в граммах или молях на литр), m0 – масса одной молекулы.
Вычислите давление , если вы знаете температуру газа и его концентрацию, используя формулу P=nkT, где k – постоянная Больцмана (k=1,38·10-23 моль·К-1), Т - температура по абсолютной шкале Кельвина.
Найдите давление из двух равноценных вариантов уравнения Менделеева-Клайперона в зависимости от известных значений: P=mRT/MV или P=νRT/V, где R – универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/моль·К), ν - в молях, V – объем газа в м3.
Если в условии задачи указана средняя молекул газа и его концентрация, найдите давление с помощью формулы P=⅔nEк, где Eк - кинетическая энергия в Дж.
Найдите давление из газовых законов - изохорного (V=const) и изотермического (T=const), если дано давление в одном из состояний. При изохорном процессе отношение давлений в двух состояниях равно отношению : P1/P2=T1/T2. Во втором случае, если температура остается постоянной величиной, произведение давления газа на его объем в первом состоянии равно тому же произведению во втором состоянии: P1·V1=P2·V2. Выразите неизвестную величину.
При расчете парциального давления пара , если в условии даны температура и воздуха, выразите давление из формулы φ/100=Р1/Р2, где φ/100 - относительная влажность, Р1 - парциальное давление водяного пара, Р2 - максимальное значение паров воды при данной температуре. В ходе расчета пользуйтесь таблицами зависимости максимальной упругости пара (максимального парциального давления) от температуры в градусах Цельсия.
Полезный совет
Используйте барометр-анероид или ртутный барометр для более точного значения, если вам необходимо вычислить давление газа в ходе эксперимента или лабораторной работы. Для измерения давления газа в сосуде или баллоне пользуйтесь обычным или электронным манометром.
Источники:
- Давление и плотность насыщенного водяного пара в зависимости от температуры — таблица
- формула давления газа
Выдержит ли ведро, если налить в него воды? А если налить туда более тяжелую жидкость? Для того чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассчитать давление , которое оказывает жидкость на стенки того или иного сосуда. Это очень часто бывает необходимо на производстве – например, при изготовлении цистерн или резервуаров. Особенно важно рассчитать прочность емкостей, если речь идет об опасных жидкостях.
Вам понадобится
- Сосуд
- Жидкость с известной плотностью
- Знание закона Паскаля
- Ареометр или пикнометр
- Мерная мензурка
- Таблица поправок для взвешивания на воздухе
- Линейка
Инструкция
Источники:
- Расчет давления жидкости на дно и стенки сосуда
Даже приложив небольшое усилие, можно создать значительное давление . Все, что для этого необходимо - сконцентрировать это усилие на небольшой площади. И наоборот, если равномерно распределить по большой площади значительное усилие, давление получится сравнительно малым. Чтобы узнать, каким именно, придется провести расчет.
Инструкция
В случае если в задаче приведена не сила, а масса груза, вычислите силу по следующей формуле:F=mg, где F - сила (Н), m - масса (кг), g - ускорение свободного падения, равное 9,80665 м/с².
Если в условиях вместо площади указаны геометрические параметры области, на которую оказывается давление , вначале рассчитайте площадь этой области. Например, для прямоугольника:S=ab, где S - площадь (м²), a - длина (м), b - ширина (м).Для круга:S=πR², где S - площадь (м²), π - число «пи», 3,1415926535 (безразмерная величина), R - радиус (м).
Чтобы узнать давление , поделите усилие на площадь:P=F/S, где P - давление (Па), F - сила (н), S - площадь (м²).
В ходе подготовки сопроводительной документации к товарам, предназначенным для поставки на экспорт, может потребоваться выразить давление в фунтах на квадратный дюйм (PSI - pounds per square inch). В этом случае руководствуйтесь следующим соотношением: 1 PSI=6894,75729 Па.
Выбирать систему, распределяющую газообразное вещество, по критерию, который оценивает давление, уровню редукции и принципов постройки систем, распределяющих газопроводов (это могут быть кольцевой, тупиковый и смешанный газопроводов) стоит, основываясь на экономических просчетах и технических особенностях. Учитывая объем, структурные нюансы и свойство плотности потребляющего уровня газа, надежность и безопасный режим газоснабжающей системы, кроме того, местные постройки и эксплуатационные особенности.
Виды газопроводов
Газопроводные системы связываются с уровнями давления газообразного вещества, которое перемещается по ним, делятся на следующие виды:
1. Газопроводная конструкция с наличием высокого давления первого сорта в условиях рабочего давления газового вещества в пределах 0,71,3 МПа для натурального вещества и газовоздушной смеси и до 1,7 МПа для СУГ;
2. Газопроводный канал с высоким уровнем давления второй категории в условиях давления в рамках 0,40,7 МПа;
3. Газопроводное сооружение со средними показателями давления имеется давление в рабочем режиме в пределах 0,0060,4 МПа;
4. Газовый канал с низким давлением уровень давления до 0,006 МПа.
Виды газоснабжающих систем
Газоснабжающая система может иметь такие виды:
1. Одноуровневая, где подача газа потребляющим лицам производится только по газопроводному изделию одинаковых показателей давления (либо с низкими показателями, либо со средними);
2. Двухуровневая, где подача газа кругу потребляющих лиц осуществляется по газопроводному сооружению с двумя разными видами давления (показатели среднегонизкого либо среднеговысокого 1 или 2 уровня, либо высоких показателей 2 категории низких);
3. Трехуровневая, где прохождение газового вещества производится по газопроводу с тремя давлениями (высокое первого или второго уровня, среднее и низкое);
4. Многоуровневая, при которой газ движется по газовым линиям с четырьмя видами давления: высокое 1 и 2 уровня, среднее и низкое.
Связываться газопроводные системы с разными давлениями, которые входят в газоснабжающую систему, должны посредством ГРП, КДРД.
Для теплоустановок промышленной отрасли и котельного оборудования, стоящих отдельно от газопроводных линий, допустимым считается применение газового вещества с имеющимся давлением в пределах 1,3 МПа при условии, если такие показатели давления необходимы для особенностей технического процесса. Нельзя прокладывать газопроводную систему с показателем давления больше чем 1,2 МПа для многоэтажного жилого дома в населенной местности, в участках нахождения сооружений общего пользования, в местах нахождения большого количества людей, например, рынок, стадион, торговый центр, здание театра.
Нынешние системы распределения газоснабжающей линии состоят из сложного комплексного состава сооружений, которые, в свою очередь, имеют вид основных элементов таких, как газовых кольцевых, тупиковых и смешанных сетей с низкими, средними и высокими показателями давления. Они проложены на городских участках, других населенных пунктах, в сердце микрорайонов или здания. Кроме того, они могут размещаться на трассах газораспределительной станции, газорегуляторного пункта и установки, системе связи, системе автоматических установок и телемеханического оборудования.
Вся конструкция должна обеспечить подачу потребительского газа без проблем. В конструкции должно иметься отключающее устройство, которое направлено на отдельные ее элементы и участки газопровода для осуществления ремонта и устранения аварийных ситуаций. Помимо прочего, она обеспечивает беспроблемную транспортировку газового вещества потребляющим газ лицам, иметь простой механизм, безопасную, надежную и удобную эксплуатацию.
Проектировать газоснабжение всей области, города или поселка необходимо на основании схематических чертежей и планировки района, генерального плана города, учитывая перспективное развитие. Все элементы, приборы, механизмы и узловые детали в газоснабжающей системе стоит использовать одинаковые.
Выбирать распределяющую систему и принципов постройки газопровода (кольцевого, тупикового, смешанного) стоит осуществлять, основываясь на технических и экономических расчетных операциях, учитывая объем, структуру и плотность потребления газа.
Выбранная система должна иметь самую большую эффективность, с экономической точки зрения, и обязательно предполагать строительные процессы и иметь возможность вводить в работу газоснабжающую систему частично.
Классификация газопроводов
Основными частями газоснабжающей системы являются газопроводные конструкции, которые имеют виды в зависимости от давления газа и предназначения. Зависимо от наивысших показателей давления газа, которые транспортируется, газопроводные конструкции делятся на следующие:
1. Газопроводное сооружение с высокими показателями давления первого уровня в условиях показателей давления газообразного вещества более чем 0,7 МПа, до 1,7 МПа для СГУ;
2. Газопроводное изделие с высокими отметками давления второго уровня при режиме больше чем 0,4 МПа и до 0,7 МПа;
3. Провод со средним уровнем давления показатели выше 0,005 МПа и варьируются до 0,4 МПа;
4. Конструкция с низкими показателями, а именно до 0,004 МПа.
Газопроводная система с низкими отметками давления служит для перемещения газа в жилые сооружения и здания общего пользования, на предприятия общепита, а также в помещения котельных и предприятий бытового предназначения. К газопроводной системе с низким давлением разрешено присоединить небольшие потребительские установки и котельные. А вот большие коммунальные предприятия нельзя присоединять к линиям с низкими показателями давления, поскольку перемещать по ней большой объем газа не имеет смысла, это не имеет экономической выгоды.
Газопроводная конструкция со средними и высокими режимами давления предназначена в качестве источника питания для городской распределительной сети с низким и средним давлением в газовый провод промышленных цехов и коммунальных учреждений.
Городская газовая линия с высоким давлением считается главной линией, которая питает огромный город. Ее изготавливают как огромное , полукольцо или имеет лучеобразный вид. По ней газовое вещество подается посредством ГРП в сеть со средними и высокими отметками, кроме того, в большие промышленные предприятия, технологический процесс которых предполагает наличие газа с рабочим режимом больше 0,8 МПа.
Газоснабжающая система города
Показатели давления газа в трубопроводе до 0,003 МПа
Газоснабжающая система города это серьезный механизм, включающий в себя сооружения, технические устройства и трубопроводы, которые обеспечивают прохождение газа до пункта назначения и распределяют его между предприятиями, коммунальными учреждениями, потребителям, на основании спроса.
В своем составе имеет такие сооружения:
1. Газовая сеть с низким, средним и высоким климатом;
2. Газорегуляторная станция;
3. Газорегуляторный пункт;
4. Газорегуляторное оборудование;
5. Контролирующее устройство и система автоматического управления;
6. Диспетчерские приспособления;
7. Эксплуатационная система.
Подача газообразного вещества доходит по газопроводу через газорегуляторные станции напрямую в городскую газовую линию. На ГРС показатели давления падают с помощью автоматических клапанов на регуляторе, и остается неизменным на необходимом уровне для городского потребления на протяжении всего времени. Техническими специалистами в схему ГРС включается система, обеспечивающая защиту автоматически. Кроме того, она гарантирует поддержание показателей давления в городской линии, а также обеспечивает, чтобы они не превышали допустимый уровень. Из газорегулирующих станций газовое вещество по газовой линии доходит до потребителей.
Так как основным элементом городских газоснабжающих систем являются газовые линии, состоящие из газопроводных различий показателей давления, они могут быть представлены в следующих типах:
1. Линия с низкими отметками давления до 4 кПа;
2. Линия со средними показателями давления до 0,4 МПа;
3. Сеть с высоким режимом давления второго уровня до 0,7 МПа;
4. Сети с высокими показаниями первого уровня до 1,3 МПа.
По газопроводным конструкциям с низкими показателями давления газ перемещается и проходит распределение в жилое и общественное здание и различные помещения, а еще в цеха предприятий бытового назначения.
В газопроводной линии, находящейся в жилом помещении, допустимы показатели давления до 3 кПа, а в помещении предприятия бытового назначения и общественных сооружениях до 5 кПа. Как правило, в линии поддерживают давление низких показателей (до 3 кПа), и все сооружения стараются присоединить к газовой линии, в которой не предусмотрено регулятора газового давления. В газопроводных каналах со средним и высоким давлением (0,6 МПа), газообразный продукт подается посредством ГРП в линии с низким и средним давлением. Внутри ГРП имеется защищающее устройство, которое работает автоматически. Она исключает шансы перепадов давления с низкого уровня более чем допустимое значение.
По аналогичным коммуникациям через ГРУ газообразное вещество подается и в помещения промышленных предприятий и коммунальных учреждений. Согласно действующим нормам, самое высокое давление для предприятий промышленного, коммунального и сельскохозяйственного назначения, а также для установок отопительной системы разрешается в пределах 0,6 МПа, а для предприятия бытового назначения и рядом стоящих зданий в пределах 0,3 МПа. К установкам, которые располагаются на фасадах жилого дома или общественного здания разрешена подача газа с показателем давления не больше чем 0,3 МПа.
Газопроводные конструкции со средним и высоким режимом это и есть распределительные сети города. Газопроводное сооружение с высокими отметками давления используется исключительно в городах-мегаполисах. Помещения промышленности можно подсоединять к сети со средним и высоким давлением не применяя регуляторы, конечно же, если это основывается на технико-экономических расчетах. Системы городов строятся по иерархии, которая, в свою очередь, делится в зависимости от давления газопровода.
Иерархия имеет несколько уровней:
1. Линии с высоким и средним давлением основа городских газопроводов. Резервация происходит с помощью кольцеваний и дублирований отдельных мест. Тупиковая сеть может быть исключительно в маленьких городах. Газообразное вещество постепенно перемещается по уровням с низким давлением, оно производится колебаниями на клапане регулятора ГРП и находится на уровне постоянно. В случае наличия нескольких разных потребителей газа в одном участке разрешено укладывать в параллель газопроводные линии с разным давлением. А вот конструкция с высоким и средним давлением создает одну сеть в городе, которая имеет гидравлические нюансы.
2. Сеть с низким давлением. Она подает газ самым разным потребителям. Проект сетей создают со смешанными особенностями, при этом закольцуют только лишь главные газопроводные каналы, в остальных случаях создают тупиковые. Газопровод с низким давлением не может разделять реку, озеро или овраг, а также железную дорогу, автомагистраль. Его нельзя укладывать по промзонам, поэтому он не может быть частью единой гидравлической сетью. Проект сети с низкими показателями создаются в качестве локальной линии, которая имеет множество источников питания, через которые подается газ.
3. Газовая конструкция жилого дома или общественного сооружения, промцеха или предприятия. Они не резервируются. Давление зависит от назначения сети и уровня, который требуется для установки.
В зависимости от количества степеней, городские системы делятся :
1. Двухуровневая сеть состоит их линии с низким и средним давлением или с низким и высоким давлением.
2. Трехуровневая линия включает систему с низким, средним и высоким давлением.
3. Шагоуровневая сеть состоит из газопроводных конструкций всех уровней.
Городской газопровод с высоким и средним давлением создают как единую линию, которая подает газ к предприятию, котельной, коммунальным организациям и само ГРП. Создавать единую линию гораздо выгоднее, в отличие от разделяющей для промышленных помещений и, вообще, для бытового газового участка.
Выбирают городскую систему, основываясь на такие нюансы :
1. Какой город по размеру.
2. План городской местности.
3. Постройки в нем.
4. Какое в городе население.
5. Характеристика всех предприятий в городе.
6. Перспектива развития мегаполиса.
Выбрав необходимую систему нужно учитывать, что она должна отвечать требованиям экономичности, безопасности и надежности в использовании. Выражает простоту и удобство в применении, предполагать отключение отдельных ее участков для выполнения ремонтных работ. Кроме того, все части, приборы и приспособления в выбранной системе должны иметь однотипные детали.
В город по многоуровневой линии газ подается по двум магистралям через станцию, что, в свою очередь, увеличивает уровень надежности. Станция связана с участком высокого давления, которое находится по окраинам городских линий. Их этого участка газ подается в кольца с высоким или средним давлением. Если в центре мегаполиса создать газопроводную сеть с высоким давлением неосуществимо и недопустимо, тогда их необходимо разделить на две части: сеть со средним давлением в центре и сеть с высоким давлением на окраине.
Чтобы можно было отключить части газопроводной линии с высоким и средним давлением, отдельные участки с низким давлением, сооружения на жилых домах, промышленных цехов и помещений монтируют устройства, которые отключаются или, попросту сказать, специальные краны (см. ). Задвижку необходимо устанавливать на вводе и выводе, на ветвях уличного газопровода, на пересечении разных преград, железнодорожных установках и дорогах.
На внешних линиях устанавливают задвижку в колодце вместе с , показывающим значения температуры и напряжения. Кроме того, обеспечивает комфортную установку и разборку запорные элементы арматуры. Колодец нужно размещать, учитывая промежуток в два метра от построек или заборов. Количество барьеров должно обосновываться и быть по максимуму минимальным. Задвижка при вводе в помещение устанавливается на стене, при этом необходимо выдержать некоторый промежуток от дверей и окон. Если расположить арматуру выше 2 метров необходимо предусмотреть место с лестницей для того, чтобы была возможность ее обслужить.
В коттеджи в большинстве случаев подают газ по сетям со средним давлением, но не с низким. Во-первых, это предусматривает дополнительное регулирующее устройство, так как показатели давления выше. Во-вторых, газовые котлы в последнее время набирают популярности, то только на среднем давлении можно подавать газ в необходимом количестве к потребителям.
Газифицируя в условиях низкого давления, показатели конечного прибора будут падать. К примеру, если зимой допустимым считается давление около 300, то если отдалять от ГРП у потребителей будут падать показатели до 120. До морозов газового давления достаточно. Но если придет лютый мороз и все начнут обогреваться газовыми котлами, включив полную мощность, у собственников коттеджа на периферии давление значительным образом падает. А когда давление ниже 120 у собственников котлов начинают появляться неприятности, например, котловая установка, тухнет или показывает, что подача газа прекращена. В условиях подачи среднего давления по трубопроводу перемещается газ в сжатом состоянии. Далее, посредством регулятора, давление понижается до низких показателей, и котел работает беспроблемно.
Как известно, многие вещества в природе могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном .
Учение о свойствах вещества в различных агрегатных состояниях основывается на представлениях об атомно-молекулярном строении материального мира. В основе молекулярно-кинетической теории строения вещества (МКТ) лежат три основных положения:
- все вещества состоят из мельчайших частиц (молекул, атомов, элементарных частиц), между которыми есть промежутки;
- частицы находятся в непрерывном тепловом движении;
- между частицами вещества существуют силы взаимодействия (притяжения и отталкивания); природа этих сил электромагнитная.
Значит, агрегатное состояние вещества зависит от взаимного расположения молекул, расстояния между ними, сил взаимодействия между ними и характера их движения.
Сильнее всего проявляется взаимодействие частиц вещества в твердом состоянии. Расстояние между молекулами примерно равно их собственным размерам. Это приводит к достаточно сильному взаимодействию, что практически лишает частицы возможности двигаться: они колеблются около некоторого положения равновесия. Они сохраняют форму и объем.
Свойства жидкостей также объясняются их строением. Частицы вещества в жидкостях взаимодействуют менее интенсивно, чем в твердых телах, и поэтому могут скачками менять свое местоположение – жидкости не сохраняют свою форму – они текучи. Жидкости сохраняют объем.
Газ представляет собой собрание молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. Газы не имеют собственной формы, занимают весь предоставляемый им объем и легко сжимаются.
Существует еще одно состояние вещества – плазма. Плазма - частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы.
Модель идеального газа. Связь между давлением и средней кинетической энергией.
Для выяснения закономерностей, которым подчиняется поведение вещества в газообразном состоянии, рассматривается идеализированная модель реальных газов – идеальный газ. Это такой газ, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие друг с другом на расстоянии, но взаимодействующие друг с другом и со стенками сосуда при столкновениях.
Идеальный газ – это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. (Ек>>Ер)
Идеальный газ – это модель, придуманная учеными для познания газов, которые мы наблюдаем в природе реально. Она может описывать не любой газ. Не применима, когда газ сильно сжат, когда газ переходит в жидкое состояние. Реальные газы ведут себя как идеальный, когда среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, т.е. при достаточно больших разрежениях.
Свойства идеального газа:
- расстояние между молекулами много больше размеров молекул;
- молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары;
- силы притяжения стремятся к нулю;
- взаимодействия между молекулами газа происходят только при соударениях, а соударения считаются абсолютно упругими;
- молекулы этого газа двигаются беспорядочно;
- движение молекул по законам Ньютона.
Состояние некоторой массы газообразного вещества характеризуют зависимыми друг от друга физическими величинами, называемыми параметрами состояния. К ним относятся объем V , давление p и температура T .
Объем газа обозначается V . Объем газа всегда совпадает с объемом того сосуда, который он занимает. Единица объема в СИ м 3 .
Давление – физическая величина, равная отношению силы F , действующей на элемент поверхности перпендикулярно к ней, к площади S этого элемента .
p = F / S Единица давления в СИ паскаль [Па]
До настоящего времени употребляются внесистемные единицы давления:
техническая атмосфера 1 ат = 9,81-104 Па;
физическая атмосфера 1 атм = 1,013-105 Па;
миллиметры ртутного столба 1 мм рт. ст.= 133 Па;
1 атм = = 760 мм рт. ст. = 1013 гПа.
Как возникает давление газа? Каждая молекула газа, ударяясь о стенку сосуда, в котором она находится, в течение малого промежутка времени действует на стенку с определенной силой. В результате беспорядочных ударов о стенку сила со стороны всех молекул на единицу площади стенки быстро меняется со временем относительно некоторой (средней) величины.
Давление газа возникает в результате беспорядочных ударов молекул о стенки сосуда, в котором находится газ.
Используя модель идеального газа, можно вычислить давление газа на стенку сосуда .
В процессе взаимодействия молекулы со стенкой сосуда между ними возникают силы, подчиняющиеся третьему закону Ньютона. В результате проекция υ x скорости молекулы, перпендикулярная стенке, изменяет свой знак на противоположный, а проекция υ y скорости, параллельная стенке, остается неизменной.
Приборы, измеряющие давление, называют манометрами. Манометры фиксируют среднюю по времени силу давления, приходящуюся на единицу площади его чувствительного элемента (мембраны) или другого приемника давления.
Жидкостные манометры:
- открытый – для измерения небольших давлений выше атмосферного
- закрытый - для измерения небольших давлений ниже атмосферного, т.е. небольшого вакуума
Металлический манометр – для измерения больших давлений.
Основной его частью является изогнутая трубка А, открытый конец которой припаян к трубке В, через которую поступает газ, а закрытый – соединен со стрелкой. Газ поступает через кран и трубку В в трубку А и разгибает её. Свободный конец трубки, перемещаясь, приводит в движение передающий механизм и стрелку. Шкала градуирована в единицах давления.
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
Основное уравнение МКТ : давление идеального газа пропорционально произведению массы молекулы, концентрации молекул и среднему квадрату скорости движения молекул
p = 1/3· m 0· n·v 2
m 0 - масса одной молекулы газа;
n = N/V – число молекул в единице объема, или концентрация молекул;
v 2 - средняя квадратичная скорость движения молекул.
Так как средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул E = m 0 *v 2 /2, то домножив основное уравнение МКТ на 2, получим p = 2/3· n·(m 0 · v 2)/2 = 2/3·E·n
p = 2/3·E·n
Давление газа равно 2/3 от средней кинетической энергии поступательного движения молекул, которые содержатся в единичном объеме газа.
Так как m 0 ·n = m 0 ·N/V = m/V = ρ, где ρ – плотность газа, то имеем p = 1/3· ρ· v 2
Объединенный газовый закон.
Макроскопические величины, однозначно характеризующие состояние газа, называют термодинамическими параметрами газа.
Важнейшими термодинамическими параметрами газа являются его объем V , давление р и температура Т.
Всякое изменение состояния газа называется термодинамическим процессом.
В любом термодинамическом процессе изменяются параметры газа, определяющие его состояние.
Соотношение между значениями тех или иных параметров в начале и конце процесса называется газовым законом .
Газовый закон, выражающий связь между всеми тремя параметрами газа называется объединенным газовым законом.
p = nkT
Соотношение p = nkT связывающее давление газа с его температурой и концентрацией молекул, получено для модели идеального газа, молекулы которого взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только во время упругих столкновений. Это соотношение может быть записано в другой форме, устанавливающей связь между макроскопическими параметрами газа – объемом V , давлением p , температурой T и количеством вещества ν. Для этого нужно использовать равенства
где n – концентрация молекул, N – общее число молекул, V – объем газа
Тогда получим или
Так как при постоянной массе газа N остается неизменным, то Nk – постоянное число, значит
При постоянной массе газа произведение объема на давление, деленное на абсолютную температуру газа, есть величина одинаковая для всех состояний этой массы газа.
Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газа было получено в середине XIX века французским физиком Б. Клапейроном и часто его называют уравнением Клайперона .
Уравнение Клайперона можно записать в другой форме.
p = nkT,
учитывая, что
Здесь N – число молекул в сосуде, ν – количество вещества, N А – постоянная Авогадро, m – масса газа в сосуде, M – молярная масса газа. В итоге получим:
Произведение постоянной Авогадро N А на постоянную Больцмана k называется универсальной (молярной) газовой постоянной и обозначается буквой R .
Ее численное значение в СИ R = 8,31 Дж/моль·К
Соотношение
называется уравнением состояния идеального газа .
В полученной нами форме оно было впервые записано Д. И. Менделеевым. Поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Клапейрона–Менделеева .`
Для одного моля любого газа это соотношение принимает вид: pV=RT
Установим физический смысл молярной газовой постоянной . Предположим, что в некотором цилиндре под поршнем при температуре Е находится 1 моль газа, объем которого V. Если нагреть газ изобарно (при постоянном давлении) на 1 К, то поршень поднимется на высоту Δh, а обьем газа увеличится на ΔV.
Запишем уравнение pV =RT для нагретого газа: p (V + ΔV) = R (T + 1)
и вычтем из этого равенства уравнение pV=RT , соответствующее состоянию газа до нагревания. Получим pΔV = R
ΔV = SΔh, где S – площадь основания цилиндра. Подставим в полученное уравнение:
pS = F – сила давления.
Получим FΔh = R, а произведение силы на перемещение поршня FΔh = А – работа по перемещению поршня, совершаемая этой силой против внешних сил при расширении газа.
Таким образом, R = A .
Универсальная (молярная) газовая постоянная численно равна работе, которую совершает 1 моль газа при изобарном нагревании его на 1 К.
