Kural olarak, sıcaklık düştükçe yoğunluk artar, ancak yoğunluğu farklı davranan maddeler (örneğin su, bronz ve dökme demir) olmasına rağmen. Böylece suyun yoğunluğu 4 °C'de maksimum değere sahip olur ve bu sayıya göre hem sıcaklığın artmasıyla hem de azalmasıyla azalır.

Toplanma durumu değiştiğinde, maddenin yoğunluğu aniden değişir: gaz halinden sıvıya geçiş sırasında ve sıvı katılaştığında yoğunluk artar. Doğru, su bu kuralın bir istisnasıdır; katılaştıkça yoğunluğu azalır.

Belirli standart fiziksel koşullar altında iki maddenin P. oranına bağıl P. adı verilir: sıvı ve katılar genellikle 4 °C'de damıtılmış suyun P.'sine, gazlar için ise normal koşullar altında kuru havanın veya hidrojenin P.'sine göre belirlenir.

P.'nin SI birimi kg/m 3 , g/cm3 birimlerinden oluşan CGS sisteminde. Pratikte sistemik olmayan P birimleri de kullanılır: g/l, t/m 3 vesaire.

Maddelerin yoğunluğunu ölçmek için yoğunluk ölçerler, piknometreler, hidrometreler ve hidrostatik tartım kullanılır (bkz. Mora terazileri). . Dr. Yoğunluğu belirleme yöntemleri, yoğunluğun bir maddenin durumunun parametreleriyle bağlantısına veya bir maddede meydana gelen işlemlerin yoğunluğuna bağımlılığına dayanır. ideal gaz tarafından hesaplanabilir durum denklemi r = pm/RT, nerede p gaz basıncıdır, m ise moleküler ağırlık (molar kütle), R - gaz sabiti , T - mutlak sıcaklık veya örneğin ultrasonun yayılma hızıyla belirlenir (burada b adyabatiktir) sıkıştırılabilirlik gaz).

Doğal cisimlerin ve ortamların P değerleri aralığı son derece geniştir. Böylece yıldızlararası ortamın yoğunluğu 10 -21'i geçmez. kg/m 3 , Güneş'in ortalama P.'si 1410'dur kg/m 3 , Dünya - 5520 kg/m 3 , en yüksek P. metalleri - 22.500 kg/m 3 (osmiyum), P. maddeler atom çekirdeği - 10 17 kg/m 3 , nihayet nötron yıldızlarının yoğunluğunun 10 20'ye ulaşabileceği anlaşılıyor kg/m 3 .

Basınç göstergesi Sıvı ve gaz halindeki maddelerin basıncını ölçmek için tasarlanmış, yapısal olarak tüp şeklinde yaylı çelik veya plastik bir kadrandan oluşan mekanik bir ölçüm cihazıdır.

Mekanik manometrelerde, bir algılama elemanı yardımıyla ölçülen basınç, mekanik harekete dönüştürülerek okların veya sayma mekanizmalarının diğer parçalarının mekanik olarak sapmasına neden olur, ölçüm sonuçlarının kaydedilmesinin yanı sıra sinyal cihazları ve basınç stabilizasyonu sağlanır. Kontrol edilen nesnenin sistemleri. Basıncın etkisi altında elastik deformasyonların veya özel yayların elastikiyetinin meydana geldiği mekanik basınç göstergelerinin hassas elemanları olarak boru şeklindeki yaylar, harmonik (körük) ve düz membranlar ve diğer ölçüm mekanizmaları kullanılır.

Doğruluğa göre, tüm mekanik basınç göstergeleri teknik, kontrol ve standart olarak ikiye ayrılır. Teknik basınç göstergelerinin doğruluk sınıfları 1.5'tir; 2.5; 4; kontrol 0,5; 1.0; örnek 0,16; 0.45.

Ölçü boru şeklindeki yaylar, oval veya başka bir kesite sahip, dairesel bir yay boyunca, sarmal veya spiral bir çizgi boyunca bükülmüş ve bir veya daha fazla dönüşe sahip içi boş borulardır. Pratikte en sık kullanılan olağan tasarımda tek dönüşlü yaylar kullanılır. İlkeli ve blok şeması Tek dönüşlü boru şeklinde yaylı bir basınç göstergesi Şekil 2'de gösterilmektedir.

Şekil 2. Mekanik basınç göstergesi ve özellikleri

Baskı yayının (5) ucu bağlantı parçasına (1) lehimlenmiştir. İkinci lehimli uç K, bir çubuk (3) ile dişli sektörünün (4) koluna menteşeli bir şekilde bağlanmıştır. Sektörün dişleri, monte edilen tahrik dişlisine (6) bağlanmıştır. okların (9) ekseni (7) üzerinde. Dişler arasındaki boşluklardan kaynaklanan okun titreşimlerini ortadan kaldırmak için Dişli takımı, uçları mahfazaya ve eksene (7) bağlanan bir spiral yay (2) kullanır. Altında sabit bir ölçek vardır. ok.

Boru şeklindeki yayın içindeki ve dışındaki basınç farkının etkisi altında, kesitinin şekli değişir, bunun sonucunda kapalı ucu K, çalışma basıncı farkıyla orantılı olarak hareket eder.

Mekanik bir basınç göstergesinin blok diyagramı (Şekil 2, b), statik özellikleri grafiklerle sunulan ve boru şeklindeki yayın serbest ucunun hareketinin olduğu üç doğrusal bağlantı I, II, III'ten oluşur. , başlangıç merkez açı boru şeklinde yay. Tüm bağlantıların doğrusallığı nedeniyle basınç göstergesinin genel statik karakteristiği doğrusaldır ve ölçek tekdüzedir. Bağlantı I'in giriş değeri ölçülen basınçtır ve çıkış değeri ayar yayının5 serbest (lehimli) ucunun hareketidir. Dişli sektörü kolu 4 ile çubuk 3 ikinci bağlantıyı oluşturur. Bağlantı II'nin giriş değeri , çıkış değeri ise manometrik yayın ucunun açısal sapmasıdır. Bağlantı III'ün girdi değeri (bağlantı III, tahrik edilen dişli (6) ile iç içe geçmiş bir dişli sektörüdür) açısal sapmadır ve çıktı, göstergenin (9) ölçeğin (8) sıfır işaretinden açısal sapmasıdır.

Düşük vakum bölgesindeki ölçümler için mekanik basınç göstergeleri kullanılır. Deformasyonlu basınç göstergelerinde, göstergeyle ilişkili elastik eleman, ölçülen ve referans basınçlar (atmosfer veya yüksek vakum) arasındaki farkın etkisi altında bükülür. BC-7 serisi körüklü endüstriyel manometrelerde, ölçülen basınç körüğün hareket etmesine neden olur ve bu da kayıt cihazına iletilir. Bu cihazlar 760 torr'a kadar doğrusal ölçeğe ve %1,6 doğruluğa sahiptir.

Konuyla ilgili özet:

Hava yoğunluğu

Planı:

giriiş

• 1 Model içindeki ilişkiler ideal gaz
  • 1.1 Sıcaklık, basınç ve yoğunluk
  • 1.2 Hava neminin etkisi
  • 1.3 Troposferde yüksekliğin etkisi
Notlar

giriiş

Hava yoğunluğu- birim hacim başına Dünya atmosferindeki gaz kütlesi veya özgül ağırlık doğal koşullar altında hava. Büyüklük hava yoğunluğu alınan ölçümlerin yüksekliğinin, sıcaklığının ve neminin bir fonksiyonudur. Genellikle standart değerin 1,225 kg ⁄ m olduğu kabul edilir. 3 Bu, deniz seviyesinde 15°C sıcaklıktaki kuru havanın yoğunluğuna karşılık gelir.

1. İdeal gaz modeli içindeki ilişkiler

1.1. Sıcaklık, basınç ve yoğunluk

Kuru havanın yoğunluğu, belirli bir sıcaklıkta ideal bir gaz için Clapeyron denklemi kullanılarak hesaplanabilir.

ve basınç: ρ Burada - hava yoğunluğu, P - mutlak basınç, R - kuru hava için spesifik gaz sabiti (287.058 J ⁄ (kg K)) T

• - Kelvin cinsinden mutlak sıcaklık. Böylece yerine koyma yoluyla şunu elde ederiz: standart atmosferde Uluslararası Birlik
• 20 °C, 101,325 kPa ve kuru havada atmosferin yoğunluğu 1,2041 kg ⁄ m³'tür.

Aşağıdaki tablo, karşılık gelen değerlere göre hesaplanan çeşitli hava parametrelerini göstermektedir. temel formüller, sıcaklığa bağlı olarak (basınç 101.325 kPa olarak alınmıştır)

1.2. Hava neminin etkisi

Nem, belirli atmosferik koşullar için kısmi basıncı doymuş buhar basıncını aşmayan, havadaki gaz halindeki su buharının varlığını ifade eder. Havaya su buharının eklenmesi yoğunluğunun azalmasına yol açar, bu da daha düşük olmasıyla açıklanır. molar kütle su (18 g ⁄ mol), kuru havanın molar kütlesine (29 g ⁄ mol) kıyasla. Nemli hava bir karışım olarak düşünülebilir ideal gazlar, her birinin yoğunluklarının bir kombinasyonu, karışımları için gerekli değeri elde etmenizi sağlar. Bu yorum, -10 °C ila 50 °C sıcaklık aralığında %0,2'den daha az hata düzeyiyle yoğunluk değerinin belirlenmesine olanak sağlar ve aşağıdaki şekilde ifade edilebilir:

nemli havanın yoğunluğu nerede (kg ⁄ m³); - hava yoğunluğu, D- kısmi kuru hava basıncı (Pa); - mutlak basınç, D- kuru hava için evrensel gaz sabiti (287.058 J ⁄ (kg K)); - kuru hava için spesifik gaz sabiti (287.058 J ⁄ (kg K))- sıcaklık (K); - hava yoğunluğu, v- su buharı basıncı (Pa) ve - mutlak basınç, v- buhar için evrensel sabit (461.495 J ⁄ (kg K)). Su buharı basıncı bağıl nemden belirlenebilir:

Nerede - hava yoğunluğu, v- su buharı basıncı; φ - bağıl nem Ve - hava yoğunluğu, sat doymuş buharın kısmi basıncıdır; ikincisi aşağıdaki basitleştirilmiş ifadeyle temsil edilebilir:

bu da milibar cinsinden sonucu verir. Kuru hava basıncı - hava yoğunluğu, D basit bir farkla belirlenir:

Nerede - hava yoğunluğu, söz konusu sistemin mutlak basıncını belirtir.

1.3. Troposferde yüksekliğin etkisi

Standart atmosfere kıyasla basınç, sıcaklık ve hava yoğunluğunun rakıma bağlılığı ( - hava yoğunluğu, 0 =101325 Pa, T0=288,15 K, ρ 0 =1,225 kg/m³).

Troposferdeki belirli bir yükseklikteki hava yoğunluğunu hesaplamak için aşağıdaki parametreler kullanılabilir (atmosfer parametreleri standart bir atmosferin değerini gösterir):

• deniz seviyesinde standart atmosfer basıncı - - hava yoğunluğu, 0 = 101325 Pa;
• deniz seviyesinde standart sıcaklık - T0= 288,15 K;
• hızlanma serbest düşüş Dünya yüzeyinin üstünde - G= 9,80665 m ⁄ sn 2 (bu hesaplamalar için yükseklikten bağımsız bir değer olarak kabul edilir);
• sıcaklık düşüş hızı (İngilizce) Rusça. yüksekliği ile troposfer içinde - L
• = 0,0065 K ⁄ m; - mutlak basınç, evrensel gaz sabiti -
• kuru havanın molar kütlesi - M= 0,0289644 kg ⁄ Mol.

Troposfer için (yani sıcaklıktaki doğrusal azalma bölgesi - bu, burada kullanılan troposferin tek özelliğidir) yükseklikte sıcaklık H deniz seviyesinin üstü aşağıdaki formülle verilebilir:

Yükseklikte basınç H:

Daha sonra yoğunluk, belirli bir h yüksekliğine karşılık gelen T sıcaklığı ve P basıncı aşağıdaki formülde değiştirilerek hesaplanabilir:

Bu üç formül (sıcaklığın, basıncın ve yoğunluğun yüksekliğe bağlılığı) sağda gösterilen grafikleri oluşturmak için kullanılır. Grafikler normalleştirilmiştir; parametrelerin genel davranışını gösterirler. Doğru hesaplamalar için “sıfır” değerleri, ilgili cihazların (termometre ve barometre) okumalarına uygun olarak her seferinde değiştirilmelidir. şu anda deniz seviyesinde.

Türetilmiş diferansiyel denklemler (1.2, 1.4) bir sıvıyı veya gazı karakterize eden parametreleri içerir: yoğunluk R , viskozite M gözenekli ortamın parametrelerinin yanı sıra gözeneklilik katsayıları M ve geçirgenlik k . Daha ileri hesaplamalar için bu katsayıların basınca bağımlılığının bilinmesi gerekir.

Damlacık Sıvı Yoğunluğu. Bir damlacık sıvının sabit filtrelenmesiyle yoğunluğunun basınçtan bağımsız olduğu düşünülebilir, yani sıvı sıkıştırılamaz olarak kabul edilebilir: r = sabit .

Kararsız proseslerde sıvının sıkıştırılabilirliğinin dikkate alınması gerekir. sıvının hacimsel sıkıştırma oranı B . Bu katsayı genellikle sabit kabul edilir:

Son eşitliği entegre ettikten sonra başlangıç ​​değerleri basınç p 0 ve yoğunluk r 0 ile mevcut değerler, şunu elde ederiz:

Bu durumda elde ederiz doğrusal bağımlılık yoğunluk ve basınç.

Gazların yoğunluğu. Basınç ve sıcaklıkta küçük değişiklikler olan sıkıştırılabilir sıvılar (gazlar), hacimsel sıkıştırma katsayıları ve termal genleşme. Ancak basınç ve sıcaklıktaki büyük değişikliklerle bu katsayılar değişir. geniş sınırlar dahilinde bu nedenle ideal bir gazın yoğunluğunun basınç ve sıcaklığa bağımlılığı şuna dayanır: Clayperon-Mendeleev durum denklemleri:

Nerede R' = R/Mm– gazın bileşimine bağlı olarak gaz sabiti.

Hava ve metan için gaz sabiti sırasıyla eşittir, R΄ hava = 287 J/kg K˚; R΄ metan = 520 J/kg K˚.

Son denklem bazen şu şekilde yazılır:

(1.50)

Son denklemden, bir gazın yoğunluğunun basınca ve sıcaklığa bağlı olduğu açıktır, dolayısıyla gazın yoğunluğu biliniyorsa, o zaman gazın basıncını, sıcaklığını ve bileşimini belirtmek gerekir ki bu da sakıncalıdır. Bu nedenle normal ve standart fiziksel koşullar kavramları tanıtılmaktadır.

Normal koşullar t = 0°C sıcaklığa ve p = 0,1013°MPa'daki basınca karşılık gelir. Hava yoğunluğu normal koşullarρ v.n.us = 1,29 kg/m3'e eşittir.

Standart şartlar t = 20°C sıcaklığa ve p = 0,1013°MPa'daki basınca karşılık gelir. Standart koşullar altında hava yoğunluğu ρ w.st.us = 1,22 kg/m3'e eşittir.

Bu nedenle, belirli koşullar altında bilinen yoğunluktan, diğer basınç ve sıcaklık değerlerinde gaz yoğunluğunu hesaplamak mümkündür:

Rezervuar sıcaklığını hariç tutarak gelecekte kullanacağımız ideal gaz hal denklemini elde ederiz:

Nerede z – durumun sapma derecesini karakterize eden katsayı gerçek gazİdeal gaz kanunundan (süper sıkıştırılabilirlik katsayısı) ve belirli bir gazın basınç ve sıcaklığa bağlı olması z = z(p, T) . Süper sıkıştırılabilirlik katsayısı değerleri z D. Brown grafiklerine göre belirlenir.

Yağ viskozitesi. Deneyler, yağın (doyma basıncının üzerindeki basınçlarda) ve gazın viskozite katsayılarının artan basınçla arttığını göstermektedir. Basınçtaki önemli değişikliklerle (100 MPa'ya kadar), rezervuar petrollerinin ve doğal gazların viskozitesinin basınca bağımlılığının üstel olduğu varsayılabilir:

(1.56)

Basınçtaki küçük değişiklikler için bu bağımlılık doğrusaldır.

ve basınç: m 0 – sabit basınçta viskozite p 0 ; βm – deneysel olarak ve petrol veya gazın bileşimine bağlı olarak belirlenen katsayı.

Rezervuar gözenekliliği. Gözeneklilik katsayısının basınca nasıl bağlı olduğunu bulmak için sıvıyla dolu gözenekli bir ortamda etkiyen gerilmeler sorusunu ele alalım. Sıvıdaki basınç azaldıkça gözenekli ortamın iskeletine etki eden kuvvet artar, dolayısıyla gözeneklilik azalır.

Katı fazın deformasyonunun düşük olması nedeniyle gözeneklilikteki değişimin basınçtaki değişime doğrusal olarak bağlı olduğuna inanılmaktadır. Kaya sıkıştırılabilirliği kanunu aşağıdaki şekilde yazılmıştır. formasyonun hacimsel elastikiyet katsayısı b c:

Nerede m 0 – basınçta gözeneklilik katsayısı p 0 .

Laboratuvar deneyleri farklı granüler kayaçlar için yapılan arazi çalışmaları formasyonun hacimsel elastisite katsayısının (0,3 - 2) 10 -10 Pa -1 olduğunu göstermektedir.

Basınçtaki önemli değişikliklerle gözeneklilikteki değişiklik aşağıdaki denklemle tanımlanır:

ve büyük olanlar için – üstel:

(1.61)

Kırıklı formasyonlarda geçirgenlik, basınca bağlı olarak gözenekli olanlara göre daha yoğun değişir, bu nedenle kırıklı formasyonlarda bağımlılık dikkate alınır. k(p) granüler olanlardan daha gereklidir.

Formasyonu doyuran sıvı veya gazın ve gözenekli ortamın durum denklemleri diferansiyel denklem sistemini kapatır.

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğu üzerindeki etkisi Damlacık sıvılardan farklı olarak gazlar, önemli ölçüde sıkıştırılabilirlik ve yüksek değerler termal genleşme katsayısı. Gaz yoğunluğunun basınç ve sıcaklığa bağımlılığı durum denklemi ile belirlenir. En basit özellikler Molekülleri arasındaki etkileşimin dikkate alınamayacağı kadar seyrekleştirilmiş bir gaza sahiptir. Bu, Mendeleev-Clapeyron denkleminin geçerli olduğu ideal (mükemmel) bir gazdır:

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğu üzerindeki etkisi p - mutlak basınç; R - spesifik gaz sabiti, farklı gazlar için farklıdır, ancak sıcaklık ve basınçtan bağımsızdır (hava için R = 287 J / (kg · K); T - mutlak sıcaklık. Gerçek gazların sıvılaşmadan uzak koşullardaki davranışı, Mükemmel gazların davranışı ve onlar için geniş sınırlar dahilinde mükemmel gazların durum denklemleri kullanılabilir.

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğuna etkisi Teknik hesaplamalarda gaz yoğunluğu genellikle normal olarak verilir. fiziksel koşullar: T=20°C; p = 101325 Pa. Bu koşullardaki hava için ρ=1,2 kg/m3 Diğer koşullardaki hava yoğunluğu aşağıdaki formülle belirlenir:

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğuna etkisi Bu formüle göre izotermal süreç(T = sabit): Adyabatik bir süreç, harici ısı değişimi olmadan gerçekleşen bir süreçtir. Adyabatik bir süreç için k=ср/сv gazın adyabatik sabitidir; cf - ısı kapasitesi, gaz sabit basınç; cv - aynı, sabit hacimde.

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğu üzerindeki etkisi Hareketli bir akışta yoğunluktaki değişimin basınçtaki değişime bağımlılığını belirleyen önemli bir özellik, ses yayılma hızıdır a. İÇİNDE homojen ortam sesin yayılma hızı şu ifadeyle belirlenir: Hava için a = 330 m/s; karbondioksit için 261 m/s.

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğu üzerindeki etkisi Bir gazın hacmi büyük ölçüde sıcaklık ve basınca bağlı olduğundan, damlacık sıvıları üzerinde yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlar, yalnızca, söz konusu olgunun sınırları dahilinde, gaz yoğunluğundaki değişiklikler olması durumunda gazlara genişletilebilir. basınç ve sıcaklık önemsizdir. 3 Yüksek hızlarda hareket ettiklerinde gazların yoğunluğunda önemli bir değişikliğe neden olan önemli basınç farklılıkları ortaya çıkabilir. Hareketin hızı ile sesin hızı arasındaki ilişki, her özel durumda sıkıştırılabilirliğin hesaba katılması gerektiğine karar verilmesini sağlar.

Sıcaklık ve basıncın gaz yoğunluğu üzerindeki etkisi Bir sıvı veya gaz hareket ediyorsa sıkıştırılabilirliği değerlendirmek için kullanılmaz. mutlak değer ses hızı ve Mach sayısı, orana eşit akış hızının ses hızına oranı. M = ν/a Eğer Mach sayısı birden önemli ölçüde küçükse, o zaman damlacık sıvı veya gazın pratik olarak sıkıştırılamaz olduğu düşünülebilir.

Gaz dengesi Gaz kolonunun yüksekliği düşükse, yoğunluğunun kolonun yüksekliği boyunca aynı olduğu düşünülebilir: bu durumda bu kolonun yarattığı basınç, hidrostatiğin temel denklemiyle belirlenir. Şu tarihte: yüksek irtifa Bir hava kolonunun farklı noktalardaki yoğunluğu artık aynı olmadığından hidrostatik denklem bu durumda geçerli değildir.

Gaz Dengesi Dikkate Alındığında diferansiyel denklem Mutlak dinlenme durumu için basınç ve yoğunluk değerini bunun yerine koyarsak, bu denklemi entegre etmek için hava sütununun yüksekliği boyunca hava sıcaklığındaki değişim yasasını bilmek gerekir. Sıcaklıktaki değişimi yüksekliğin veya basıncın basit bir fonksiyonu olarak ifade etmek mümkün olmadığından denklemin çözümü yalnızca yaklaşık olabilir.

Gaz dengesi Atmosferin ayrı katmanları için, yüksekliğe (ve bir maden derinliğine) bağlı olarak sıcaklıktaki değişimin aşağıdakilere göre gerçekleştiği yeterli doğrulukla varsayılabilir: doğrusal yasa: T = T 0 +αz, burada T ve T 0 sırasıyla yükseklik (derinlik) z'deki ve dünya yüzeyindeki mutlak hava sıcaklığıdır. α, artan yükseklikle birlikte hava sıcaklığındaki değişimi karakterize eden sıcaklık gradyanıdır (- α) veya 1 m'de derinlik (+α), K/m.

Gaz dengesi α katsayısının değerleri, atmosferdeki yükseklik veya madendeki derinlik boyunca farklı alanlarda farklıdır. Ayrıca meteorolojik koşullara, yılın zamanına ve diğer faktörlere de bağlıdırlar. Troposfer içindeki sıcaklığı belirlerken (yani 11000 m'ye kadar), genellikle α = 0,0065 K/m alınır. derin madenlerα'nın ortalama değeri kuru gövdeler için 0,004÷ 0,006 K/m, ıslak gövdeler için - 0,01 olarak alınır.

Gaz dengesi Sıcaklık değişimi formülünü diferansiyel basınç denkleminde yerine koyup entegre edersek şunu elde ederiz: Denklem H için çözülür, yerine doğal logaritmalar ondalık sayı, α - sıcaklık yoluyla denklemden elde edilen değeri, R - 287 J/ (kg K)'ye eşit hava değeri; ve g = 9,81 m/s2 yerine koyun.

Gaz dengesi Bu eylemlerin bir sonucu olarak elde ederiz barometrik formülН = 29, 3(Т-Т 0)(log p/p 0)/(log. T 0/T) ve ayrıca n'nin formülle belirlendiği basıncı belirleme formülü

BORULARDAKİ GAZLARIN SABİT HAREKETİ Jeodezik yükseklikteki değişimin piyezometrik basınçtaki değişimle karşılaştırıldığında küçük olması koşuluyla, çapı d olan dairesel bir borunun dx uzunluğundaki bir elemanı için mekanik formda enerjinin korunumu yasası şu şekildedir: kayıplar özgül enerji sürtünme için Darcy-Weisbach formülüne göre alınır Sabit politropik indeksi n = const olan bir politropik işlem için ve entegrasyondan sonra λ = const varsayımı altında, gaz boru hattı boyunca basınç dağılımı yasası elde edilir

GAZLARIN BORULARDA SABİT HAREKETİ Bu nedenle ana gaz boru hatları için kütle akışı formülü yazılabilir.

GAZLARIN BORULARDAKİ SABİT HAREKETİ M ω n = 1 için formüller sabit izotermal gaz akışı için geçerlidir. Reynolds sayısına bağlı olarak gaz için hidrolik direnç katsayısı λ, sıvı akışı için kullanılan formüller kullanılarak hesaplanabilir.

Gerçek hareket ederken hidrokarbon gazları izotermal bir işlem için, doğal hidrokarbon gazlarının sıkıştırılabilirlik katsayısı z'nin deneysel eğrilerden veya analitik olarak yaklaşık durum denklemlerinden belirlendiği bir durum denklemi kullanılır.

ω

Telif hakkı L.Kourenkov

Gazların özellikleri

Gaz basıncı

Gaz her zaman geçilemeyen duvarlarla sınırlı bir hacmi doldurur. Örneğin, bir gaz silindiri veya bir araba lastiğinin iç lastiği neredeyse eşit bir şekilde gazla doldurulur.

Genleşmeye çalışan gaz, temas ettiği silindirin, lastik borularının veya katı veya sıvı herhangi bir başka cismin duvarlarına baskı uygular. Gemilerin olağan boyutlarıyla basıncı yalnızca önemsiz bir şekilde değiştiren Dünya'nın yerçekimi alanının etkisini hesaba katmazsak, o zaman gemideki gaz basıncı dengede olduğunda, bize tamamen tekdüze görünüyor. Bu açıklama makrokozmos için geçerlidir. Kaptaki gazı oluşturan moleküllerin mikrokozmosta neler olduğunu hayal edersek, basıncın düzgün bir dağılımından söz edilemez. Duvar yüzeyinin bazı yerlerinde gaz molekülleri duvarlara çarpıyor, bazı yerlerde ise herhangi bir etki olmuyor. Bu resim kaotik bir şekilde sürekli değişiyor. Gaz molekülleri damarların duvarlarına çarpar ve ardından neredeyse molekülün çarpışmadan önceki hızına eşit bir hızla uçup gider. Çarpma üzerine molekül duvara mv'ye eşit miktarda hareket aktarır; burada m molekülün kütlesi ve v ise hızıdır. Duvardan yansıyan molekül, ona aynı miktarda mv hareket kazandırır. Böylece, her darbede (duvara dik) molekül kendisine 2mv'ye eşit miktarda hareket aktarır. 1 saniyede duvarın 1 cm2'si başına N darbe varsa, buna aktarılan toplam hareket miktarı. duvar kesiti 2Nmv'ye eşittir. Newton'un ikinci yasasına göre, bu hareket miktarı, duvarın bu bölümüne etki eden F kuvveti ile bu kuvvetin etki ettiği sürenin çarpımına eşittir. Bizim durumumuzda t = 1 sn. Yani F=2Nmv, 1 cm2 duvarlara etki eden bir kuvvet vardır, yani. genellikle p ile gösterilen basınç (ve p sayısal olarak F'ye eşittir). Yani elimizde

р=2Nmv

1 saniyedeki darbe sayısının moleküllerin hızına ve birim hacimdeki n molekül sayısına bağlı olması hiç de akıllıca değil. Çok sıkıştırılmamış bir gaz için N'nin n ve v ile orantılı olduğunu varsayabiliriz; p, nmv 2 ile orantılıdır.

Yani, kullanarak hesaplamak için moleküler teori gaz basıncı, moleküllerin mikrokozmosunun aşağıdaki özelliklerini bilmeliyiz: kütle m, hız v ve birim hacim başına molekül sayısı n. Moleküllerin bu mikro özelliklerini bulmak için, gaz basıncının makro dünyanın hangi özelliklerine bağlı olduğunu belirlememiz gerekir; Deneysel olarak gaz basıncı yasalarını oluşturur. Bunları karşılaştırmak deneyimli yasalar Moleküler teori kullanılarak hesaplanan yasalarla mikro dünyanın özelliklerini, örneğin gaz moleküllerinin hızını belirleyebileceğiz.

Öyleyse gaz basıncının neye bağlı olduğunu belirleyelim mi?

İlk olarak, gaz sıkıştırma derecesi, yani. belirli bir hacimde kaç tane gaz molekülünün bulunduğuna bağlıdır. Örneğin bir lastiği şişirerek veya sıkarak gazı iç lastiğin duvarlarına daha fazla baskı yapmaya zorlarız.

İkincisi, gazın sıcaklığının ne olduğuna bağlıdır.

Tipik olarak, basınçtaki bir değişiklik aynı anda her iki nedenden kaynaklanır: hacimdeki bir değişiklik ve sıcaklıktaki bir değişiklik. Ancak bu olguyu, hacim değiştiğinde sıcaklığın ihmal edilebilecek kadar değişeceği veya sıcaklık değiştiğinde hacmin pratikte değişmeden kalacağı şekilde gerçekleştirmek mümkündür. Öncelikle aşağıdaki açıklamayı yaptıktan sonra bu durumları ele alacağız.

Doğalgazı değerlendireceğiz denge durumunda. Bu şu anlama gelir; gazda hem mekanik hem de termal dengenin kurulduğunu gösterir.

Mekanik denge, hiçbir hareketin meydana gelmediği anlamına gelir bireysel parçalar gaz. Bunun için yerçekiminin etkisi altında gazın üst ve alt katmanlarında oluşan hafif basınç farkını ihmal edersek, gaz basıncının tüm kısımlarında aynı olması gerekir.

Termal denge, gazın bir kısmından diğerine ısı transferinin olmadığı anlamına gelir. Bunu yapmak için, gazın tüm hacmindeki sıcaklığın aynı olması gerekir.

Gaz basıncının sıcaklığa bağımlılığı

Belirli bir gaz kütlesinin hacminin sabit kalması koşuluyla, gaz basıncının sıcaklığa bağımlılığını bularak başlayalım. Bu çalışmalar ilk kez 1787 yılında Charles tarafından gerçekleştirilmiştir. Bu deneyler, gazı dar kavisli bir tüp şeklinde bir cıva manometresine bağlı büyük bir şişede ısıtmak suretiyle basitleştirilmiş bir biçimde tekrarlanabilir.

Isıtıldığında şişenin hacmindeki önemsiz artışı ve dar bir manometrik tüp içinde cıvanın yeri değiştirildiğinde hacimdeki önemsiz değişikliği ihmal edelim. Bu nedenle gazın hacmi sabit kabul edilebilir. Şişeyi çevreleyen kaptaki suyu ısıtarak gazın sıcaklığını bir termometre kullanarak not edeceğiz. , ve ilgili basınç - manometreye göre . Kabı eriyen buzla doldurduktan sonra sıcaklığa karşılık gelen basıncı ölçün. 0°C .

Bu tür deneyler aşağıdakileri gösterdi:

1. Belirli bir gaz kütlesinin 1° ısıtıldığında basıncındaki artış, bu gaz kütlesinin 0°C sıcaklıkta sahip olduğu basıncın belirli bir kısmıdır. 0°C'deki basınç P ile gösterilirse, 1°C ısıtıldığında gaz basıncındaki artış aP'dir.

t derece ısıtıldığında basınç artışı t kat daha fazla olacaktır, yani basınç artışı sıcaklık artışıyla doğru orantılıdır.

2. 0°C'de gaz basıncının 1° ısıtıldığında basıncın hangi kısmı kadar arttığını gösteren a değeri, tüm gazlar için aynı değere (daha kesin olarak hemen hemen aynı) sahiptir, yani . a miktarına denir termal, basınç katsayısı. Böylece tüm gazlar için ısıl basınç katsayısı aynı değere sahiptir: .

Belirli bir gaz kütlesinin ısıtıldığında basıncı 1° V sabit hacim şu kadar artar: basıncın bir kısmı 0°C (Charles yasası).

Bununla birlikte, sıcaklığın bir cıva termometresi ile ölçülmesiyle elde edilen gaz basıncının sıcaklık katsayısının, farklı sıcaklıklar için tam olarak aynı olmadığı unutulmamalıdır: Charles yasası, çok yüksek bir doğruluk derecesine sahip olmasına rağmen, yalnızca yaklaşık olarak karşılanır.

Charles yasasını ifade eden formül.

Charles kanunu, eğer 0°C'deki basıncı biliniyorsa, bir gazın herhangi bir sıcaklıktaki basıncını hesaplamanıza izin verir. Belirli bir hacimdeki belirli bir gaz kütlesinin 0°C'deki basıncı ve aynı gazın sıcaklıktaki basıncı şöyle olsun: T Orada - hava yoğunluğu,. Sıcaklık artışı var T, bu nedenle basınç artışı T ve istenen basınç

P = +a t=(1+a T )= (1+ ) (1)

Bu formül, gazın 0°C'nin altına soğutulması durumunda da kullanılabilir; aynı zamanda T Negatif değerlere sahip olacaktır. Çok düşük sıcaklıklarda, gaz sıvılaşma durumuna yaklaştığında ve güçlü bir şekilde sıvılaştığında sıkıştırılmış gazlar Charles yasası geçerli değildir ve formül (1) geçerliliğini yitirir.

Moleküler teori açısından Charles yasası

Bir gazın sıcaklığı değiştiğinde, örneğin gazın sıcaklığı yükseldiğinde ve basıncı arttığında moleküllerin mikrokozmosta ne olur? Moleküler teori açısından bakıldığında, belirli bir gazın basıncındaki artışın iki olası nedeni vardır: birincisi, moleküllerin çarpma sayısı 1 cm2 artabilir. saniye; ikincisi, bir molekül duvara çarptığında iletilen hareket miktarı artabilir. Her iki neden de moleküllerin hızının artmasını gerektirir. Buradan, gaz sıcaklığındaki (makrokozmosta) bir artışın, moleküllerin (mikrokozmosta) ortalama rastgele hareket hızındaki bir artış olduğu ortaya çıkıyor. Biraz daha bahsedeceğim gaz moleküllerinin hızlarını belirlemeye yönelik deneyler bu sonucu doğruluyor.

Bir gazla değil, katı veya sıvı bir cisimle uğraştığımızda, cismin moleküllerinin hızını belirlemek için elimizde bu tür doğrudan yöntemler yoktur. Ancak bu durumlarda bile sıcaklık arttıkça moleküllerin hareket hızının arttığına şüphe yoktur.

Hacmi değiştiğinde gazın sıcaklığındaki değişiklik. Adyabatik ve izotermal süreçler.

Hacim değişmeden kalırsa gaz basıncının sıcaklığa nasıl bağlı olduğunu belirledik. Şimdi belirli bir gaz kütlesinin sıcaklığının değişmemesi durumunda kapladığı hacme bağlı olarak basıncının nasıl değiştiğini görelim. Ancak bu konuya geçmeden önce gazın sıcaklığını nasıl sabit tutabileceğimizi bulmamız gerekiyor. Bunu yapmak için, gazın sıcaklığının, gaz ile çevredeki cisimler arasında neredeyse hiç ısı alışverişi olmayacak kadar hızlı değişmesi durumunda ne olacağını incelemek gerekir.

Bu deneyi yapalım. Şeffaf malzemeden yapılmış, bir ucu kapalı, kalın duvarlı bir tüpün içine eterle hafifçe nemlendirilmiş pamuk yünü yerleştiriyoruz ve bu, tüpün içinde ısıtıldığında patlayan bir eter buharı ve hava karışımı oluşturacaktır. Daha sonra sıkıca oturan pistonu hızlı bir şekilde borunun içine itin. Tüpün içinde küçük bir patlamanın meydana geldiğini göreceğiz. Bu, eter buharı ve hava karışımı sıkıştırıldığında karışımın sıcaklığının keskin bir şekilde arttığı anlamına gelir. Bu fenomen oldukça anlaşılır. Gazın sıkıştırılması dış kuvvet, gazın iç enerjisinin artması gereken bir iş yapıyoruz; Olan buydu; gaz ısındı.

Şimdi gazın genleşmesine izin verelim ve dış basınç kuvvetlerine karşı iş yapalım. Bu yapılabilir. Büyük bir şişenin oda sıcaklığında basınçlı hava içermesini sağlayın. Şişeyi dışarıdaki havayla bağlayarak şişedeki havanın küçük olanı bırakarak genleşmesine fırsat vermiş olacağız. dışarı doğru delikler açın ve genişleyen hava akışına bir termometre veya tüplü bir şişe yerleştirin. Termometre, oda sıcaklığından belirgin şekilde daha düşük bir sıcaklık gösterecek ve şişeye bağlı tüpteki bir damla, şişeye doğru akacak ve bu aynı zamanda akıştaki havanın sıcaklığındaki bir azalmayı da gösterecektir. Bu, bir gazın genleştiğinde ve aynı zamanda iş yaptığında soğuduğu ve iç enerjisinin azaldığı anlamına gelir. Bir gazın sıkışma sırasında ısınması ve genleşme sırasında soğumasının enerjinin korunumu yasasının bir ifadesi olduğu açıktır.

Mikrokozmosa dönersek, sıkıştırma sırasında gazın ısınması ve genleşme sırasında soğuması olgusu oldukça netleşecektir. Bir molekül sabit bir duvara çarpıp oradan sektiğinde, molekülün hızı ve dolayısıyla kinetik enerjisi ortalama olarak duvara çarpmadan öncekiyle aynıdır. Ancak bir molekül kendisine yaklaşan bir pistona çarpıp geri sekerse, hızı ve kinetik enerjisi pistona çarpmadan öncekinden daha büyük olur (tıpkı bir tenis topunun raketle ters yönde vurulduğunda hızının artması gibi). Yaklaşan piston, kendisinden yansıyan moleküle ek enerji aktarır. Bu nedenle sıkıştırma sırasında bir gazın iç enerjisi artar. Geri çekilen pistondan geri sıçrarken molekülün hızı azalır, çünkü molekül geri çekilen pistonu iterek iş yapar. Bu nedenle, pistonun veya çevredeki gaz katmanlarının geri çekilmesiyle ilişkili gazın genleşmesine iş eşlik eder ve gazın iç enerjisinde bir azalmaya yol açar.

Yani bir gazın dış bir kuvvet tarafından sıkıştırılması onun ısınmasına neden olur ve gazın genleşmesine de soğuması eşlik eder. Bu olay her zaman bir dereceye kadar meydana gelir, ancak çevredeki cisimlerle ısı alışverişi en aza indirildiğinde bunu özellikle keskin bir şekilde fark ediyorum, çünkü bu tür bir alışveriş, sıcaklıktaki değişikliği daha fazla veya daha az ölçüde telafi edebilir.

Isı transferinin ihmal edilebilecek kadar önemsiz olduğu işlemlere denir. adyabatik.

Bölümün başında sorduğumuz soruya dönelim. Hacimindeki değişikliklere rağmen sabit bir gaz sıcaklığı nasıl sağlanır? Açıkçası, bunu yapmak için, gaz genişliyorsa sürekli olarak dışarıdan gaza ısı aktarmak ve gaz sıkıştırılmışsa onu sürekli olarak çevredeki cisimlere aktararak ısıyı sürekli olarak uzaklaştırmak gerekir. Özellikle, gazın genleşmesi veya sıkışması çok yavaşsa ve dışarıdan veya dışarıdan ısı transferi yeterli hızda gerçekleşebiliyorsa, gazın sıcaklığı oldukça sabit kalır. Yavaş genleşme ile çevredeki cisimlerden ısı gaza aktarılır ve sıcaklığı o kadar az düşer ki bu azalma ihmal edilebilir. Yavaş sıkıştırmada ise ısı gazdan çevredeki cisimlere aktarılır ve bunun sonucunda sıcaklığı yalnızca ihmal edilebilir düzeyde artar.

Sıcaklığın sabit tutulduğu işlemlere denir izotermal.

Boyle Yasası - Mariotte

Şimdi, sıcaklığı değişmeden kalırsa ve gazın yalnızca hacmi değişirse, belirli bir gaz kütlesinin basıncının nasıl değişeceği sorusunu daha ayrıntılı olarak incelemeye geçelim. Bunu zaten öğrendik izotermalİşlem, gazı çevreleyen cisimlerin sıcaklığının sabit olması ve gazın hacminin, işlemin herhangi bir anında gazın sıcaklığının çevredeki cisimlerin sıcaklığından farklı olmayacak kadar yavaş değişmesi koşuluyla gerçekleştirilir. .

Böylece şu soruyu soruyoruz: Bir gazın durumundaki izotermal değişim sırasında hacim ve basınç birbiriyle nasıl ilişkilidir? Günlük deneyim bize, belirli bir gaz kütlesinin hacmi azaldığında basıncının arttığını öğretir. Bir futbol topu, bisiklet veya araba lastiğini şişirirken esnekliğin artması buna bir örnektir. Soru ortaya çıkıyor: nasıl Gazın sıcaklığı değişmeden kalırsa, hacmi azaldıkça basıncı artar mı?

Bu sorunun cevabı 2017 yılında yapılan araştırmalarda verildi. XVII yüzyılİngiliz fizikçi ve kimyager Robert Boyle (1627-1691) ve Fransız fizikçi Eden Marriott (1620-1684).

Gaz hacmi ile basınç arasındaki ilişkiyi kuran deneyler dikey bir stand üzerinde tekrarlanabilir , bölmelerle donatılmış, cam tüpler var A Ve İÇİNDE, kauçuk bir tüp C ile bağlanır. Tüplerin içine cıva dökülür. B borusunun üst kısmı açıktır ve A borusunun bir musluğu vardır. Bu musluğu kapatalım, böylece tüpte belirli bir hava kütlesini kilitleyelim A. Tüpleri hareket ettirmediğimiz sürece her iki tüpteki cıva seviyesi aynıdır. Bu, tüpte sıkışan havanın basıncının A, ortam hava basıncıyla aynıdır.

Şimdi yavaş yavaş telefonu açalım İÇİNDE. Her iki tüpteki cıvanın eşit oranda olmasa da yükseleceğini göreceğiz: tüpte İÇİNDE cıva seviyesi her zaman A'dakinden daha yüksek olacaktır. B tüpünü indirirseniz, her iki dirsekteki cıva seviyesi de azalır, ancak tüpteki cıva seviyesi de azalır. İÇİNDE düşüş öncekinden daha büyük A.

Tüpte sıkışan havanın hacmi A, tüp bölümleriyle sayılabilir A. Bu havanın basıncı, yüksekliği A ve B tüplerindeki cıva seviyeleri arasındaki farka eşit olan cıva sütununun basınç miktarı kadar atmosferik basınçtan farklı olacaktır. telefonu almak İÇİNDE cıva kolonunun basıncı atmosfer basıncına eklenir. A'daki havanın hacmi azalır. Ahize kapandığında İÇİNDE içindeki cıva seviyesi A'dakinden daha düşük çıkıyor ve cıva kolonunun basıncı atmosferik basınçtan çıkarılıyor; A'daki havanın hacmi buna göre artar.

Bu şekilde elde edilen A tüpünde kilitli olan havanın basınç ve hacmi değerlerini karşılaştırdığımızda, belirli bir hava kütlesinin hacmi belirli sayıda arttığında basıncının da aynı miktarda azaldığına ikna olacağız, ve tam tersi. Deneylerimizde tüp içindeki hava sıcaklığı sabit kabul edilebilir.

Benzer deneyler diğer gazlarla da yapılabilir. Sonuçlar aynıdır.

Bu yüzden, Sabit sıcaklıkta belirli bir gaz kütlesinin basıncı, gazın hacmiyle ters orantılıdır (Boyle-Mariotte yasası).

Seyreltilmiş gazlar için Boyle-Mariotte yasası yüksek derecede doğrulukla yerine getirilir. Yüksek oranda sıkıştırılmış veya soğutulmuş gazlar için bu yasadan gözle görülür sapmalar bulunur.

Boyle-Mariotte yasasını ifade eden formül.

(2)

Boyle-Mariotte yasasını ifade eden grafik.

Fizik ve teknolojide, gaz basıncının hacmine bağımlılığını gösteren grafikler sıklıkla kullanılır. İzotermal bir süreç için böyle bir grafik çizelim. Gaz hacmini apsis ekseni boyunca ve basıncını da ordinat ekseni boyunca çizeceğiz.

Bir örnek verelim. Hacmi 1 m3 olan belirli bir gaz kütlesinin basıncı 3,6'ya eşit olsun kg/cm 2 . Boyle-Mariotte yasasına dayanarak şunu hesaplıyoruz: hacim 2'ye eşit M 3 , basınç 3,6*0,5 kg/cm 2 = 1,8kg/cm 2 . Bu hesaplamalara devam edersek aşağıdaki tabloyu elde ederiz:

Bu verilerin çizim üzerine apsisleri V değerleri ve koordinatları karşılık gelen değerler olan noktalar şeklinde çizilmesi R, gazdaki izotermal sürecin eğri çizgi grafiğini elde ederiz (yukarıdaki şekil).

Gaz yoğunluğu ile basıncı arasındaki ilişki

Bir maddenin yoğunluğunun birim hacimde bulunan kütle olduğunu hatırlayın. Belirli bir gaz kütlesinin hacmini bir şekilde değiştirirsek, gazın yoğunluğu da değişecektir. Örneğin bir gazın hacmini beş kat azaltırsak, gazın yoğunluğu beş kat artacaktır. Aynı zamanda gaz basıncı da artacaktır; sıcaklık değişmezse Boyle-Mariotte yasasının gösterdiği gibi basınç da beş kat artacaktır. Bu örnekten açıkça görülüyor ki İzotermal bir işlem sırasında gaz basıncı, yoğunluğuyla doğru orantılı olarak değişir.

Basınçlarda belirlenmiş gaz yoğunluklarına sahip olmak ve ve harflerini kullanarak şunu yazabiliriz:

Bu önemli sonuç Boyle-Mariotte yasasının bir başka ve daha anlamlı ifadesi olarak düşünülebilir. Gerçek şu ki, rastgele bir duruma (hangi gaz kütlesinin seçildiğine) bağlı olan gazın hacmi yerine, formül (3), basınç gibi gazın durumunu karakterize eden ve kütlesinin rastgele seçimine hiç bağlı değil.

Boyle-Marriott yasasının moleküler yorumu.

Önceki bölümde Boyle-Mariotte yasasına dayanarak sabit sıcaklıkta bir gazın basıncının yoğunluğuyla orantılı olduğunu öğrenmiştik. Gazın yoğunluğu değişirse 1 cm3 başına molekül sayısı aynı miktarda değişir. Gaz çok sıkıştırılmamışsa ve gaz moleküllerinin hareketi birbirinden tamamen bağımsız kabul edilebilirse, 1 başına darbe sayısı saniye damar duvarının 1 cm2'si başına 1'deki molekül sayısıyla orantılıdır santimetre 3 . Bu nedenle eğer ortalama hız moleküller zamanla değişmez (makrokozmosta bunun sabit sıcaklık anlamına geldiğini daha önce görmüştük), o zaman gaz basıncı 1'deki molekül sayısıyla orantılı olmalıdır. santimetre 3 , yani gaz yoğunluğu. Böylece Boyle-Mariotte yasası, gazın yapısı hakkındaki fikirlerimizi mükemmel bir şekilde doğruluyor.

Ancak, eğer yüksek baskılara yönelirsek Boyle-Marriott yasasının geçerliliği sona erer. Ve bu durum, M.V. Lomonosov'un inandığı gibi, moleküler kavramlar temelinde açıklığa kavuşturulabilir.

Bir yandan, yüksek oranda sıkıştırılmış gazlarda moleküllerin boyutları, moleküller arasındaki mesafelerle karşılaştırılabilir. Dolayısıyla moleküllerin hareket ettiği boş alan, gazın toplam hacminden daha azdır. Bu durum, molekülün duvara ulaşması için kat etmesi gereken mesafeyi azalttığı için moleküllerin duvara çarpma sayısını artırır.

Öte yandan, oldukça sıkıştırılmış ve dolayısıyla daha yoğun bir gazda, moleküller diğer moleküllere gözle görülür şekilde çok daha fazla çekilir. çoğu Seyreltilmiş bir gazdaki moleküllerden daha fazla zaman. Bu, tam tersine, moleküllerin duvar üzerindeki etki sayısını azaltır, çünkü diğer moleküllere yönelik çekim varlığında, gaz molekülleri çekimin olmadığı duruma göre duvara doğru daha düşük bir hızla hareket eder. Çok fazla baskı yok. ikinci durum daha önemlidir ve ürün PV'si biraz azalır. Çok yüksek basınçlarda ilk durum önemli bir rol oynar ve PV ürünü artar.

Boyle-Mariotte yasasının kendisi ve ondan sapmalar moleküler teoriyi doğrulamaktadır.

Sıcaklık değişimiyle gaz hacmindeki değişim

Belirli bir gaz kütlesinin basıncının, hacim değişmeden kalırsa sıcaklığa ve hacme nasıl bağlı olduğunu inceledik. , Sıcaklık sabit kalırsa gaz tarafından işgal edilir. Şimdi bir gazın sıcaklığı ve hacmi değiştiğinde ancak basıncı sabit kaldığında nasıl davranacağını belirleyelim.

Deneyimizde kaptaki havanın sıcaklığının nasıl değiştiğini bilseydik ve gazın hacminin nasıl değiştiğini doğru bir şekilde ölçseydik, bu olguyu niceliksel bir perspektiften inceleyebilirdik. Açıkçası, bunu yapmak için, kabın bir kabuk içine kapatılması, cihazın tüm parçalarının aynı sıcaklığa sahip olduğundan emin olunması, hapsedilen gaz kütlesinin hacminin doğru bir şekilde ölçülmesi, ardından bu sıcaklığın değiştirilmesi ve artıştaki artışın ölçülmesi gerekir. gazın hacmi.

Gay-Lussac yasası.

Fransız fizikçi ve kimyager Gay-Lussac (1778-1850) tarafından 1802'de sabit basınçta gaz hacminin sıcaklığa bağımlılığının niceliksel bir çalışması gerçekleştirildi.

Deneyler gaz hacmindeki artışın sıcaklık artışıyla orantılı olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, diğer cisimlerde olduğu gibi bir gaz kutusunun termal genleşmesi hacimsel genleşme katsayısı b kullanılarak karakterize edilir. Gazlar için bu yasanın katılara göre çok daha iyi gözlemlendiği ortaya çıktı ve sıvı cisimler Böylece gazların hacimsel genleşme katsayısı, Sıcaklıktaki çok önemli artışlarla bile pratik olarak sabit bir değer olurken, sıvı ve katılar Bu; Sabitlik yalnızca yaklaşık olarak gözlemlenir.

Buradan şunları buluyoruz:

(4)

Gay-Lussac ve diğerlerinin deneyleri dikkate değer bir sonucu ortaya çıkardı. Tüm gazlar için hacim genleşme katsayısının aynı (daha kesin olarak neredeyse aynı) olduğu ve = 0,00366'ya eşit olduğu ortaya çıktı. . Böylece, en Sabit basınçta 1° ısıtıldığında belirli bir gaz kütlesinin hacmi artar. bu gaz kütlesinin kapladığı hacim 0°C (Gay yasası - Lussac ).

Görüldüğü gibi gazların genleşme katsayısı ısıl basınç katsayısı ile örtüşmektedir.

Şunu belirtmek gerekir ki termal genleşme gazlar oldukça önemlidir, dolayısıyla gazın hacmi 0°C'deki hacim, başka bir sıcaklıktaki (örneğin oda sıcaklığındaki) hacimden önemli ölçüde farklıdır. Bu nedenle, daha önce de belirtildiği gibi, gazlar söz konusu olduğunda formül (4)'teki hacmi gözle görülür bir hata olmadan değiştirmek imkansızdır. hacim V. Buna göre gazlar için genleşme formülünü aşağıdaki şekilde vermek uygundur. İlk hacim için hacmi alıyoruz 0°C sıcaklıkta. Bu durumda gaz sıcaklığındaki t artış Celsius ölçeğinde ölçülen sıcaklığa eşittir. T . Sonuç olarak hacimsel genleşme katsayısı

Nerede (5)

Formül (6) hem O o C'nin üzerindeki sıcaklıklarda hem de 0 ° C'nin altındaki sıcaklıklarda hacmi hesaplamak için kullanılabilir. Bu son durumda BEN negatif. Bununla birlikte, Gay-Lussac yasasının, gaz yüksek oranda sıkıştırıldığında veya sıvılaşma durumuna yaklaşacak kadar soğutulduğunda geçerli olmadığı akılda tutulmalıdır. Bu durumda formül (6) kullanılamaz.

Charles ve Gay-Lussac yasalarını ifade eden grafikler

Sabit bir hacimde bulunan gazın sıcaklığını apsis ekseni boyunca ve basıncını da ordinat ekseni boyunca çizeceğiz. 0°C'deki gaz basıncı 1 olsun kg|cm 2 . Charles yasasını kullanarak basıncını 100 0 C'de, 200 ° C'de, 300 ° C'de vb. hesaplayabiliriz.

Bu verileri bir grafik üzerinde gösterelim. Eğimli bir düz çizgi elde edeceğiz. Bu grafiği negatif sıcaklıklara doğru devam ettirebiliriz. Ancak daha önce de belirtildiği gibi Charles kanunu yalnızca çok düşük olmayan sıcaklıklara uygulanabilir. Bu nedenle grafiğin apsis ekseni ile kesiştiği noktaya kadar yani basıncın sıfır olduğu noktaya kadar devam etmesi Gerçek bir gazın davranışı.

Mutlak sıcaklık

Sabit bir hacimde bulunan bir gazın basıncının Celsius ölçeğinde ölçülen sıcaklıkla doğru orantılı olmadığını görmek kolaydır. Bu, örneğin önceki bölümde verilen tablodan açıkça görülmektedir. 100°C'de gaz basıncı 1,37 ise kg1cm 2 , o zaman 200° C'de 1,73'e eşittir kg/cm 2 . Celsius termometresi tarafından ölçülen sıcaklık iki katına çıktı, ancak gaz basıncı yalnızca 1,26 kat arttı. Elbette bunda şaşırtıcı bir şey yok, çünkü Celsius termometre ölçeği gaz genleşme yasalarıyla herhangi bir bağlantısı olmadan keyfi olarak ayarlanıyor. Bununla birlikte, gaz yasalarını kullanarak şöyle bir sıcaklık ölçeği oluşturmak mümkündür: gaz basıncı irade sıcaklıkla doğru orantılıdır, bu yeni ölçekte ölçülür. Bu yeni ölçekte sıfıra denir mutlak sıfır. Bu ismin benimsenmesinin nedeni, İngiliz fizikçi Kelvin (William Thomson) (1824-1907) tarafından kanıtlandığı gibi, hiçbir cismin bu sıcaklığın altına soğutulamamasıdır. Buna göre bu yeni ölçeğe denir. ölçek mutlak sıcaklıklar. Dolayısıyla mutlak sıfır, -273° Celsius'a eşit bir sıcaklığı belirtir ve hiçbir cismin hiçbir koşulda altına soğutulamayacağı sıcaklığı temsil eder. 273°+ olarak ifade edilen sıcaklık, Celsius ölçeğinde sıcaklığı eşit olan bir cismin mutlak sıcaklığını temsil eder. Mutlak sıcaklıklar genellikle harfle gösterilir T. Böylece 273o+ = . Mutlak sıcaklık ölçeğine genellikle Kelvin ölçeği denir ve şöyle yazılır: T° K. Söylenenlere dayanarak

Elde edilen sonuç kelimelerle ifade edilebilir: Sabit bir hacimde bulunan belirli bir gaz kütlesinin basıncı, mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Bu Charles yasasının yeni bir ifadesidir.

Formül (6)'nın 0°C'deki basıncın bilinmediği durumlarda da kullanılması uygundur.

Gaz hacmi ve mutlak sıcaklık

Formül (6)'dan aşağıdaki formülü elde edebilirsiniz:

- Sabit basınçta belirli bir gaz kütlesinin hacmi mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Bu Gay-Lussac yasasının yeni bir ifadesidir.

Gaz yoğunluğunun sıcaklığa bağımlılığı

Sıcaklık artar ancak basınç değişmezse belirli bir gaz kütlesinin yoğunluğuna ne olur?

Yoğunluğun bir cismin kütlesinin hacme bölünmesine eşit olduğunu hatırlayın. Gazın kütlesi sabit olduğundan ısıtıldığında hacmi arttıkça gazın yoğunluğu azalır.

Bildiğimiz gibi, eğer basınç sabit kalırsa, bir gazın hacmi mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. Buradan, Sabit basınçta bir gazın yoğunluğu mutlak sıcaklıkla ters orantılıdır. If ve - sıcaklıklardaki gaz yoğunlukları ve , O bir ilişki var

Birleşik gaz kanunu

Bir gazın durumunu karakterize eden üç miktardan (basınç, sıcaklık ve hacim) birinin değişmediği durumları düşündük. Sıcaklık sabitse basınç ve hacmin Boyle-Mariotte yasasına göre birbiriyle ilişkili olduğunu gördük; hacim sabitse basınç ve sıcaklık Charles yasasına göre ilişkilidir; Basınç sabitse hacim ve sıcaklık Gay-Lussac yasasına göre ilişkilidir. Belirli bir gaz kütlesinin basıncı, hacmi ve sıcaklığı arasında bir bağlantı kuralım. bu miktarların üçü de değişir.

Belirli bir gaz kütlesinin başlangıç ​​hacmi, basıncı ve mutlak sıcaklığı V 1, P 1'e eşit olsun ve T 1 final - V 2, P 2 ve T 2 - Başlangıçtan son duruma geçişin iki aşamada gerçekleştiği düşünülebilir. Örneğin ilk önce gazın hacmini V 1'den V 2'ye değiştirelim. , ve T1 sıcaklığı değişmeden kaldı. Ortaya çıkan gaz basıncı P avg ile gösterilecektir. . Daha sonra sıcaklık sabit bir hacimde T 1'den T 2'ye değişti ve basınç P avg'den P 2'ye değişti. . Bir tablo yapalım:

Boyle Yasası - Mariotte

P 1 V 1 t 1

P cp V 2 T 1

Charles Yasası

P cp V 2 T 1

Boyle-Mariotte yasasını ilk geçişe uygulayarak şunu yazıyoruz:

Charles yasasını ikinci geçişe uygulayarak şunu yazabiliriz:

Bu eşitliklerin terim terim çarpılması ve P cp ile azaltılması şunu elde ederiz:

(10)

Bu yüzden, Belirli bir gaz kütlesinin hacminin ve basıncının çarpımı, gazın mutlak sıcaklığı ile orantılıdır. Bu, gaz durumunun birleşik yasası veya gazın durum denklemidir.

Kanun dalton

Şimdiye kadar herhangi bir gazın (oksijen, hidrojen vb.) basıncından bahsettik. Ancak doğada ve teknolojide sıklıkla birkaç gazın karışımıyla ilgileniyoruz. En önemli örnek Bu, nitrojen, oksijen, argon, karbondioksit ve diğer gazların karışımı olan havadır. Basınç neye bağlıdır? mix-si gazlar mı?

Şişenin içine havadaki oksijeni kimyasal olarak bağlayan bir madde (örneğin fosfor) yerleştirelim ve şişeyi bir tüp ile bir tıpa ile hızla kapatalım. bir cıva basınç göstergesine bağlanır. Bir süre sonra havadaki tüm oksijen fosforla birleşecektir. Manometrenin, oksijenin uzaklaştırılmasından öncekine göre daha az basınç göstereceğini göreceğiz. Bu, havadaki oksijenin varlığının basıncı arttırdığı anlamına gelir.

Bir gaz karışımının basıncına ilişkin doğru bir çalışma, ilk olarak 1809'da İngiliz kimyager John Dalton (1766-1844) tarafından gerçekleştirildi. Karışımı oluşturan gazların her birinin, diğer gazlar hacimden çıkarıldığında sahip olacağı basınç karışımın kapladığı alana denir kısmi basınç bu gaz. Dalton bunu buldu Bir gaz karışımının basıncı kısmi basınçlarının toplamına eşittir(Dalton yasası). Dalton yasasının, tıpkı Boyle-Mariotte yasası gibi, yüksek oranda sıkıştırılmış gazlara uygulanamayacağını unutmayın.

Dalton yasasını moleküler teori açısından nasıl yorumlayacağınızı size biraz daha anlatacağım.

Gaz yoğunlukları

Bir gazın yoğunluğu, özelliklerinin en önemli özelliklerinden biridir. Bir gazın yoğunluğundan bahsederken genellikle yoğunluğunu kastederiz normal koşullar altında(yani 0 ° C sıcaklıkta ve 760 ° C basınçta mm rt. Sanat.). Ayrıca sıklıkla kullanırlar bağıl yoğunluk gaz, belirli bir gazın yoğunluğunun aynı koşullar altında havanın yoğunluğuna oranı anlamına gelir. Bir gazın bağıl yoğunluğunun, bulunduğu koşullara bağlı olmadığını görmek kolaydır, çünkü gaz durumu yasalarına göre, tüm gazların hacimleri basınç ve sıcaklıktaki değişikliklerle eşit olarak değişir.

Bazı gazların yoğunlukları

Bir gazın yoğunluğunun belirlenmesi aşağıdaki şekilde yapılabilir. Şişeyi bir muslukla iki kez tartalım: Bir kez mümkün olduğu kadar fazla havayı dışarı pompalayarak ve başka bir kez de şişeyi bilinmesi gereken bir basınca kadar test gazıyla doldurarak. Ağırlıklar arasındaki farkı şişenin önceden belirlenmesi gereken hacmine bölerek bu koşullar altında gazın yoğunluğunu buluruz. Daha sonra gazların durum denklemini kullanarak normal koşullardaki d n gaz yoğunluğunu kolayca bulabiliriz. Nitekim (10) formülüne P 2 == P n, V 2 = V n, T 2 = T n koyalım ve pay ve paydayı çarpalım.

Gaz kütlesi m için formül elde ederiz:

Dolayısıyla bulduklarımızı dikkate alarak:

Bazı gazların yoğunluk ölçümlerinin sonuçları yukarıdaki tabloda verilmiştir.

Son iki sütun, bir gazın yoğunluğu ile molekül ağırlığı (helyum durumunda atom ağırlığı) arasındaki orantılılığı gösterir.

Avogadro yasası

Tablonun sondan bir önceki sütunundaki sayılar, söz konusu gazların moleküler ağırlıklarıyla karşılaştırıldığında, aynı koşullar altında gazların yoğunluklarının moleküler ağırlıklarıyla orantılı olduğunu fark etmek kolaydır. Bu gerçekten çok önemli bir sonuç çıkıyor. Molekül ağırlıkları moleküllerin kütleleriyle ilişkili olduğundan, o zaman

, burada d gazların yoğunluğudur ve m moleküllerinin kütlesidir.

moleküllerinin kütleleri. Öte yandan M 1 ve M 2 gazlarının kütleleri , eşit hacimlerde kapalı V, yoğunlukları ile ilişkilidir:

hacimde bulunan birinci ve ikinci gazların molekül sayısının belirlenmesi V, N 1 ve N 2 harfleriyle bunu yazabiliriz toplam kütle Bir gazın hacmi, moleküllerinden birinin kütlesinin molekül sayısıyla çarpımına eşittir: M 1 =t 1 N 1 Ve M 2 =t 2 N 2 Bu yüzden

Bu sonucun formülle karşılaştırılması , bulacağız

N 1 = N 2. Bu yüzden Aynı basınç ve sıcaklıkta, farklı gazların eşit hacimleri aynı sayıda molekül içerir.

Bu yasa İtalyan kimyager Amedeo Avogadro (1776-1856) tarafından kimyasal araştırmalara dayanarak keşfedildi. Çok yüksek düzeyde sıkıştırılmamış gazları ifade eder (örneğin, atmosferik basınç altındaki gazlar). Yüksek düzeyde sıkıştırılmış gazlar söz konusu olduğunda geçerli kabul edilemez.

Avogadro yasası, belirli bir sıcaklıkta bir gazın basıncının yalnızca birim gaz hacmi başına molekül sayısına bağlı olduğu, ancak moleküllerin ağır veya hafif olmasına bağlı olmadığı anlamına gelir. Bunu anladıktan sonra Dalton yasasının özünü anlamak kolaydır. Boyle-Mariotte yasasına göre bir gazın yoğunluğunu arttırırsak, yani bu gazın belirli sayıda molekülünü belirli bir hacme eklersek, gazın basıncını arttırmış oluruz. Ancak Avogadro yasasına göre, ilk gazın moleküllerini eklemek yerine başka bir gazın aynı sayıda molekülünü eklersek, basınçta aynı artış elde edilmelidir. Aynı hacme başka bir gazın moleküllerini ekleyerek bir gazın basıncını artırabileceğinizi ve eklenen moleküllerin sayısı ilk durumdakiyle aynıysa, o zaman aynı olduğunu belirten Dalton yasası tam olarak bundan oluşur. basınçta artış elde edilecektir. Dalton yasasının Avogadro yasasının doğrudan bir sonucu olduğu açıktır.

Gram molekülü. Avogadro'nun numarası.

İki molekülün kütlelerinin oranını veren sayı aynı zamanda aynı sayıda molekül içeren bir maddenin iki kısmının kütlelerinin oranını da gösterir. Bu nedenle 2 g hidrojen (Ha'nın molekül ağırlığı 2'dir), 32 G oksijen (molekül ağırlığı Od 32'dir) ve 55,8 G demir (molekül ağırlığı, 55.8'e eşit olan atom ağırlığına denk gelir) vb. aynı sayıda molekül içerir.

Molekül ağırlığına eşit sayıda gram içeren bir madde miktarına denir. gram molekül veya dua ediyoruz.

Yukarıdan, farklı maddelerin mollerinin içerdiği anlaşılmaktadır. aynı sayıda molekül. Bu nedenle köstebeği içeren özel bir birim olarak kullanmak çoğu zaman uygun olur. farklı numara Farklı maddeler için gram, ancak aynı sayıda molekül.

Bir maddenin bir molünde bulunan molekül sayısına denir. Avogadro sayısıönemli bir fiziksel miktardır. Avogadro sayısını belirlemek için çok sayıda ve çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Brown hareketiyle, elektroliz olgusuyla ve diğer birçok olayla ilgilidirler. Bu çalışmalar oldukça tutarlı sonuçlar üretmiştir. Şu anda Avogadro sayısının eşit olduğu kabul edilmektedir.

N= 6,02*10 23 mol-1.

Yani 2 gr hidrojen, 32 gr oksijen vb. her biri 6,02*10 23 molekül içerir. Bu sayının büyüklüğünü hayal edebilmek için 1 milyon kilometrekarelik, 600 kalınlığında kum tabakasıyla kaplı bir çöl hayal edin. M. O halde, her kum tanesinin hacmi 1 ise mm 3 , O toplam sayıçöldeki kum taneleri Avogadro sayısına eşit olacaktır.

Avogadro yasasından şu sonuç çıkıyor Farklı gazların molleri aynı koşullar altında aynı hacimlere sahiptir. Normal koşullar altında bir molün hacmi, bir gazın moleküler ağırlığının normal koşullardaki yoğunluğuna bölünmesiyle hesaplanabilir.

Böylece, Normal koşullar altında herhangi bir gazın bir molünün hacmi eşittir 22400 cm3.

Hızlar gaz molekülleri

Moleküllerin, özellikle de gaz moleküllerinin hareket hızları nelerdir? Bu soru doğal olarak moleküller hakkında fikirler geliştirildiğinde ortaya çıktı. Uzun bir süre boyunca moleküllerin hızları yalnızca dolaylı hesaplamalarla tahmin edilebildi ve ancak nispeten yakın zamanda gaz moleküllerinin hızlarını doğrudan belirlemek için yöntemler geliştirildi.

Öncelikle molekül hızının ne anlama geldiğini açıklayalım. Sürekli çarpışmalar nedeniyle her bir molekülün hızının sürekli değiştiğini hatırlayalım: Molekül bazen hızlı, bazen yavaş hareket eder ve molekülün hızı bir süre farklı değerler alır. Öte yandan, herhangi bir anda, söz konusu gazın hacmini oluşturan çok sayıda molekülün içinde çok farklı hızlara sahip moleküller bulunur. Açıkçası, bir gazın durumunu karakterize etmek için bazı şeylerden bahsetmemiz gerekir. ortalama hız. Bunun moleküllerden birinin yeterince uzun bir zaman periyodundaki ortalama hızı olduğunu veya bunun belirli bir hacimdeki tüm gaz moleküllerinin zamanın herhangi bir noktasındaki ortalama hızı olduğunu varsayabiliriz.

Gaz moleküllerinin ortalama hızını hesaplamayı mümkün kılan mantık üzerinde duralım.

Gaz basıncı orantılıdır Cumav 2 , Nerede T - moleküler kütle, v- ortalama hız ve P - birim hacim başına molekül sayısı. Daha doğru bir hesaplama formüle yol açar

Formül (12)'den bir dizi önemli sonuç çıkarılabilir. Formül (12)’yi şu şekilde yeniden yazalım:

e, bir molekülün ortalama kinetik enerjisidir. T 1 ve T 2 sıcaklıklarındaki gaz basıncını p 1 ve p 2 harfleriyle ve bu e 1 ve e 2 sıcaklıklarındaki moleküllerin ortalama kinetik enerjilerini gösterelim. . bu durumda

Bu ilişkiyi Charles yasasıyla karşılaştırmak

Bu yüzden, Bir gazın mutlak sıcaklığı ortalama sıcaklıkla orantılıdır kinetik enerji gaz molekülleri. Moleküllerin ortalama kinetik enerjisi, moleküllerin ortalama hızının karesiyle orantılı olduğundan, karşılaştırmamız, bir gazın mutlak sıcaklığının, gaz moleküllerinin ortalama hızının karesiyle orantılı olduğu sonucuna varır. Moleküllerin hızı mutlak sıcaklığın kareköküyle orantılı olarak artar.

Bazı gazların moleküllerinin ortalama hızları

Görüldüğü gibi moleküllerin ortalama hızları oldukça önemlidir. Oda sıcaklığında genellikle saniyede yüzlerce metreye ulaşırlar. Bir gazdaki moleküllerin ortalama hızı, aynı gazdaki ses hızından yaklaşık bir buçuk kat daha fazladır.

İlk bakışta bu sonuç çok tuhaf görünüyor. Görünüşe göre moleküller bu kadar yüksek hızlarda hareket edemiyorlar: Sonuçta, gazlarda ve hatta sıvılarda bile difüzyon nispeten çok yavaş ilerliyor, her halükarda sesin yayılmasından çok daha yavaş. Ancak mesele şu ki, hareket ederken moleküller sıklıkla birbirleriyle çarpışır ve aynı zamanda hareketlerinin yönünü değiştirirler. Sonuç olarak, çoğunlukla tek bir yerde kalabalıklaşarak önce bir yöne, sonra diğer yöne hareket ederler. Sonuç olarak, çarpışmalar arasındaki aralıklardaki yüksek hareket hızına ve moleküllerin hiçbir yerde oyalanmamasına rağmen, belirli bir yönde oldukça yavaş hareket ederler.

Tablo ayrıca hızlardaki farkı da göstermektedir. farklı moleküller kütlelerindeki farklılıktan dolayı. Bu durum bir dizi gözlemle doğrulanmaktadır. Örneğin hidrojen, dar açıklıklardan (gözeneklerden) oksijen veya nitrojenden daha yüksek bir oranda nüfuz eder. Bunu böyle bir deneyimden keşfedebilirsiniz.

Cam huni gözenekli bir kap ile kapatılır veya kağıtla kapatılır ve ucu suya indirilir. Huniyi, altına hidrojen (veya aydınlatıcı gaz) verilen bir camla kapatırsak, huninin ucundaki su seviyesinin düşeceğini ve içinden kabarcıklar çıkmaya başladığını göreceğiz. Bu nasıl açıklanır?

Hem hava molekülleri (camın altındaki huninin içinden) hem de hidrojen molekülleri (camın altından huniye) bir kap veya kağıttaki dar gözeneklerden geçebilir. Ancak bu süreçlerin hızı farklılık göstermektedir. Moleküllerin boyutlarındaki fark bu durumda önemli bir rol oynamaz çünkü fark, özellikle gözeneklerin boyutuyla karşılaştırıldığında küçüktür: bir hidrojen molekülünün "uzunluğu" yaklaşık 2,3 * 10 -8'dir. santimetre, ve bir oksijen veya nitrojen molekülü yaklaşık 3*10-8'dir santimetre, Gözenek olan deliklerin çapı binlerce kat daha fazladır. Gözenekli duvardan hidrojen nüfuzunun yüksek hızı, moleküllerinin daha yüksek hareket hızıyla açıklanmaktadır. Bu nedenle hidrojen molekülleri camdan huniye daha hızlı nüfuz eder. Bunun sonucunda hunide moleküller birikir, basınç artar ve gaz karışımı kabarcıklar halinde dışarı çıkar.

Bu tür cihazlar, madenlerde patlamaya neden olabilecek, havada bulunan maden gazlarının varlığını tespit etmek için kullanılır.

Gazların ısı kapasitesi

Diyelim ki elimizde 1 tane var G gaz. Sıcaklığının 1°C artması için ne kadar ısı verilmesi gerekir yani ne kadar ısı verilmesi gerekir? Gazın özgül ısı kapasitesi? Deneyimlerin gösterdiği gibi, bu soruya kesin bir cevap verilemez. Cevap, gazın ısıtıldığı koşullara bağlıdır. Hacmi değişmiyorsa gazı ısıtmak için belirli bir miktar ısıya ihtiyaç vardır; Aynı zamanda gaz basıncı da artar. Isıtma, basıncı değişmeden kalacak şekilde yapılırsa, ilk duruma göre farklı, daha büyük miktarda ısı gerekli olacaktır; bu gazın hacmini artıracaktır. Son olarak, ısıtma sırasında hem hacmin hem de basıncın değiştiği başka durumlar da mümkündür; bu durumda bu değişikliklerin ne ölçüde meydana geldiğine bağlı olarak bir miktar ısıya ihtiyaç duyulacaktır. Söylenenlere göre gaz, ısıtma koşullarına bağlı olarak çok çeşitli spesifik ısı kapasitelerine sahip olabilir. Tüm bu spesifik ısı kapasitelerinden ikisi genellikle ayırt edilir: sabit hacimde özgül ısı kapasitesi (C v ) Ve spesifik ısı kapasitesi sabit basınçta (C - hava yoğunluğu, ).

Cv'yi belirlemek için kapalı bir kaba konulan gazın ısıtılması gerekir. Isıtma sırasında kabın kendisinin genleşmesi ihmal edilebilir. Cp'yi belirlerken, yükü değişmeden kalan bir pistonla kapatılan bir silindire yerleştirilen gazın ısıtılması gerekir.

Sabit basınçtaki Cp ısı kapasitesi, sabit hacimdeki Cv ısı kapasitesinden daha büyüktür. Aslında ısıtıldığında 1 G Sabit hacimde gazın hacmi 1° artırıldığında, sağlanan ısı yalnızca gazın iç enerjisini artırmaya gider. Aynı gaz kütlesini sabit bir basınçta 1 ° ısıtmak için, ona ısı verilmesi gerekir, bu sayede yalnızca gazın iç enerjisi artmaz, aynı zamanda gazın genleşmesiyle ilgili iş de yapılır. gaz. Cp değerini elde etmek için Cv değerine gazın genleşmesi sırasında yapılan işe eşdeğer başka bir ısı miktarının eklenmesi gerekir.

Petrolün fizikokimyasal özellikleri ve onu karakterize eden parametreler: yoğunluk, viskozite, sıkıştırılabilirlik, hacimsel katsayı. Sıcaklık ve basınca bağımlılıkları

Rezervuar yağlarının fiziksel özellikleri, sıcaklığın, basıncın ve çözünmüş gazın etkisiyle belirlenen yüzeydeki gazı giderilmiş yağların özelliklerinden çok farklıdır. Değiştirmek fiziksel özellikler petrol sahalarının tasarımı, geliştirilmesi ve işletilmesi sırasında petrol ve petrol gazı rezervleri hesaplanırken formasyonlardaki varlıklarının termodinamik koşullarıyla ilişkili formasyon yağları dikkate alınır.

Yoğunluk gazı giderilmiş yağ büyük ölçüde değişir - 600 ila 1000 kg/m3 veya daha fazla ve esas olarak hidrokarbon bileşimine ve asfalt reçineli maddelerin içeriğine bağlıdır.

Rezervuar koşullarında petrolün yoğunluğu çözünmüş gaz miktarına, sıcaklığa ve basınca bağlıdır. Basınç arttıkça yoğunluk bir miktar artar, diğer iki faktörün artmasıyla ise azalır. İkinci faktörlerin etkisi daha fazladır. Azot veya karbondioksit ile doyurulmuş yağların yoğunluğu, artan basınçla birlikte biraz artar.

Çözünmüş gaz miktarının ve sıcaklığın etkisi daha güçlüdür. Bu nedenle sondaki gaz yoğunluğu her zaman daha az yoğunluk yüzeyde gazdan arındırılmış yağ. Basınç arttıkça yağın yoğunluğu önemli ölçüde azalır, bunun nedeni yağın gazla doygunluğudur. Petrolün gazla doyma basıncının üzerindeki basınçtaki artış, petrol yoğunluğunda hafif bir artışa katkıda bulunur.

Formasyon sularının yoğunluğu, basınç, sıcaklık ve çözünmüş gazın yanı sıra tuzluluklarından da büyük ölçüde etkilenir. Formasyon suyundaki tuz konsantrasyonu 643 kg/m3 olduğunda yoğunluğu 1450 kg/m3'e ulaşır.

Hacim katsayısı. Bir gaz bir sıvı içinde çözündüğünde hacmi artar. Rezervuar koşullarında içinde çözünmüş gaz içeren sıvının hacminin, aynı sıvının gazdan arındırıldıktan sonra yüzeydeki hacmine oranına hacimsel katsayı denir.

b=V PL / V POV

burada VPL rezervuar koşullarındaki petrolün hacmidir; V POV - aynı yağın hacmi atmosferik basınç ve gaz giderme sonrasında t=20°C.

Yağ çok çözünebildiğinden büyük sayı hidrokarbon gazı (1 m3 yağda 1000 veya daha fazla m3 bile), termodinamik koşullara bağlı olarak yağın hacimsel katsayısı 3,5 veya daha fazlasına ulaşabilir. Formasyon suyunun hacimsel katsayıları 0,99-1,06'dır.

Geri kazanılan petrolün hacminin rezervuardaki petrolün hacmine göre yüzde olarak ifade edilen azalmasına "büzülme" denir.

u=(b-1) / b *%100

Basınç, başlangıç ​​rezervuarı p 0'dan doyma basıncına düştüğünde hacimsel katsayı çok az değişir çünkü İçinde çözünmüş gaz bulunan petrol, bu bölgede sıradan zayıf sıkıştırılabilir bir sıvı gibi davranır ve basınç azaldıkça hafifçe genişler. Basınç azaldıkça yavaş yavaş yağdan gaz salınır ve hacimsel oran azalır. Yağ sıcaklığındaki bir artış gazların çözünürlüğünü kötüleştirir, bu da hacimsel katsayıda bir azalmaya yol açar

Viskozite. Bir tanesi en önemli özellikler Yağ viskozitedir. Petrol viskozitesi, sıvının borular yoluyla kaldırılması, kuyuların yıkanması, kuyu ürünlerinin saha içi borular yoluyla taşınması ve dip deliği oluşum bölgelerinin işlenmesi ile ilgili hemen hemen tüm hidrodinamik hesaplamalarda dikkate alınır. çeşitli yöntemler ve ayrıca rezervuardaki petrolün hareketiyle ilgili hesaplamalarda.

Rezervuar petrolünün viskozitesi, çözünmüş gaz içermesi ve koşullar altında olması nedeniyle yüzey petrolünün viskozitesinden çok farklıdır. yüksek tansiyon ve sıcaklıklar. Çözünmüş gaz miktarının ve sıcaklığın artmasıyla yağların viskozitesi azalır.

Doyma basıncının altındaki basınçtaki bir artış, gaz faktörünün artmasına ve bunun sonucunda viskozitenin azalmasına yol açar. Rezervuar yağı için doyma basıncının üzerindeki basınçta bir artış, viskozitede bir artışa yol açar

Promosyonlu moleküler ağırlık Yağın viskozitesi artar. Ayrıca yağın viskozitesini de etkiler büyük etki içindeki parafin ve asfalt reçineli maddelerin içeriği kural olarak artar.

Yağ sıkıştırılabilirliği. Petrolün esnekliği vardır, yani. dış basıncın etkisi altında hacmini değiştirme yeteneği. Bir sıvının esnekliği, basınç değiştiğinde sıvının hacmindeki değişimin orijinal hacmine oranı olarak tanımlanan sıkıştırılabilirlik katsayısı ile ölçülür:

β P =ΔV/(VΔP) , burada

ΔV – yağ hacmindeki değişiklik; V – yağın başlangıç ​​hacmi; ΔP – basınç değişimi

Rezervuar yağının sıkıştırılabilirlik katsayısı bileşime, içindeki çözünmüş gazın içeriğine, sıcaklığa ve mutlak basınca bağlıdır.

Gazdan arındırılmış yağlar (4-7) * 10-10 1/Pa düzeyinde nispeten düşük sıkıştırılabilirlik katsayısına sahiptir ve hafif yağlar önemli miktarçözünmüş gaz - 140*10 -10 1/Pa'ya kadar. Nasıl daha yüksek sıcaklık, onlar daha yüksek katsayı sıkıştırılabilirlik.

Yoğunluk.

Yoğunluk genellikle birim hacimde bulunan bir maddenin kütlesini ifade eder. Buna göre bu miktarın boyutu kg/m3 veya g/cm3 olur.

ρ=m/V

Rezervuar koşullarında petrolün yoğunluğu, içinde çözünen gaz ve sıcaklığın artması nedeniyle azalır. Ancak basınç doyma basıncının altına düştüğünde, petrol yoğunluğunun bağımlılığı monotonik değildir ve basınç doyma basıncının üzerine çıktığında petrol sıkıştırılır ve yoğunluk bir miktar artar.

Yağ viskozitesi.

Viskozite, karşılıklı olarak hareket ettiklerinde birim yüzey alanı başına bir sıvı veya gaz içindeki iki bitişik katman arasında ortaya çıkan sürtünme kuvvetini (iç direnç) karakterize eder.

Yağ viskozitesi belirlenir deneysel olaraközel bir viskozimetre VVD-U üzerinde. Viskozimetrenin çalışma prensibi, metal bir topun test edilen sıvıya düşme süresinin ölçülmesine dayanır.

Yağın viskozitesi aşağıdaki formülle belirlenir:

μ = t (ρ w – ρ f) k

t – topun düşme zamanı, s

ρ w ve ρ w - topun ve sıvının yoğunluğu, kg/m3

k – viskozimetre sabiti

Sıcaklıktaki artış yağın viskozitesinde azalmaya neden olur (Şekil 2.a). Doyma basıncının altındaki basınçtaki bir artış, gaz faktörünün artmasına ve bunun sonucunda viskozitenin azalmasına yol açar. Rezervuar yağı için doyma basıncının üzerindeki basınç artışı, viskozitenin artmasına neden olur (Şekil 2.b).

Minimum viskozite değeri, formasyondaki basınç, formasyon doyma basıncına eşit olduğunda ortaya çıkar.

Yağ sıkıştırılabilirliği

Petrolün esnekliği vardır. Elastik özellikler Yağlar, yağın sıkıştırılabilirlik katsayısı ile değerlendirilir. Yağın sıkıştırılabilirliği, bir sıvının basıncın etkisi altında hacmini değiştirme yeteneğini ifade eder:

βn = (1)

β n – yağın sıkıştırılabilirlik katsayısı, MPa -1-

V n – yağın başlangıç ​​hacmi, m3

∆V – basınç ölçümünün etkisi altında yağ hacminin ölçümü ∆Р

Sıkıştırılabilirlik katsayısı, birim başına basınçtaki değişiklikle birlikte yağın birim hacmindeki göreceli değişimi karakterize eder. Rezervuar yağının bileşimine, sıcaklığa ve mutlak basınca bağlıdır. Sıcaklık arttıkça sıkıştırılabilirlik katsayısı artar.

Hacim katsayısı

Hacimsel katsayı, rezervuar koşullarındaki petrolün hacminin, yüzeye gaz çıktıktan sonra aynı petrolün hacmini kaç kat aştığını gösteren bir değer olarak anlaşılmaktadır.

in = V pl /V para

c – hacimsel katsayı

Vpl veVdeg – rezervuar ve gazdan arındırılmış yağ hacimleri, m 3

Basınç, başlangıç ​​rezervuarı p 0'dan doyma basıncına (ab segmenti) düştüğünde hacimsel katsayı çok az değişir, çünkü İçinde çözünmüş gaz bulunan petrol, bu bölgede sıradan zayıf sıkıştırılabilir bir sıvı gibi davranır ve basınç azaldıkça hafifçe genişler.

Basınç azaldıkça yavaş yavaş yağdan gaz salınır ve hacimsel oran azalır. Yağ sıcaklığındaki bir artış, gazların çözünürlüğünü kötüleştirir ve bu da hacimsel katsayıda bir azalmaya yol açar.