лекция 2 физ-хим свойства газов.. Физические свойства природных газов
 Скачать 21.67 Kb.
|
|
Физические свойства природных газов. Молекулы всех газов при одной и той же температуре обладают одинаковой средней кинетической энергией. Причем давление газа при данной температуре зависит только от числа молекул в единице объема газа. В основе объяснений физических свойств газов и законов газового состояния лежит кинетическая теория. Большинство законов газового состояния было выведено для идеального газа, молекулярные силы которого равны нулю, а объем самих молекул бесконечно мал, по сравнению с объемом межмолекулярного пространства Молекулы реальных газов занимают некоторый объем, т.е. имеют конечные размеры. Законы для реальных газов несколько отклоняются от законов идеальных газов Состояние любого газа можно охарактеризовать его массой m, занимаемым им объемом V, давлением p, оказываемым газом на стенки сосуда, температурой T, при которой находится газ, а также его молярной массой M (числом молей - грамм-молекул вещества). Измерение давления газа. Газы, находящиеся в сосудах, оказывают на поверхности этих сосудов определенное давление, которое называют силой давления. Силу, приходящуюся на единицу поверхности, принято называть давлением В системе СИ единицей измерения давления является ньютон на квадратный метр (Н/м2), т.е. давление, при котором на поверхность площадью в 1 м2 действует сила в 1 Н, причем ньютон - это единица силы, сообщающая телу массой в 1 кг. ускорение 1 м/с2. Единица паскаль (Па) обозначает давление, вызываемое силой 1 ньютон, равномерно распределенной на поверхности площадью 1 м2. Давления могут быть избыточными и абсолютными. Газопроводы находятся под действием избыточного давления, т.е. разности внутреннего и наружного давлений. Величину избыточного давления измеряют манометрами, а для получения абсолютного давления необходимо к избыточному давлению прибавить атмосферное. Измерение температуры. Температура является мерой теплового состояния тела. С изменением температуры свойства тел изменяются. Теплота всегда самопроизвольно переходит от более нагретых тел к менее нагретым. Объясняется это тем, что в холодном теле молекулы двигаются медленнее, чем в теплом. При соприкосновении тел в нагретом теле скорость движения молекул уменьшится и температура понизится, а в теле с низкой температурой она повысится за счет увеличения скорости движения молекул. При нагревании тела расширяются и увеличивают объем. Больше всего расширяются газообразные тела и меньше твердые Например, газопровод длиной 100 м. при нагревании до 100 °С увеличит свою длину только на 12 см.; 100 л. воды при нагревании до 100 °С увеличат свой объем на 4 л. При нагревании газа от 0 °С до 273 °С его объем увеличивается в 2 раза Температура газа, транспортируемого по газопроводам, измеряется термометрами, шкала которых имеет две постоянные точки: точку таяния льда (0 °С) и точку кипения воды (100 °С) Применяется также и шкала Кельвина. На этой шкале точка 0 соответствует абсолютному нулю, т.е. такой степени охлаждения тела (температура тела), при которой прекращается всякое движение молекул любого вещества. Абсолютный нуль, принимаемый за начало отсчета температур в системе СИ, в технической системе равен 273,16 °С. Таким образом, деления 100-градусной шкалы равны делениям абсолютной шкалы, а показания абсолютной шкалы больше на 273,2 ° Для измерения температуры пользуются жидкостными термометрами, в которых используют свойство жидкостей изменять свой объем в зависимости от температуры. Диапазон измерения температур жидкостными термометрами от -200 до 1200 °С Наиболее точны и просты в обращении ртутные термометры. Ртуть не смачивает стекла, не загрязняет поверхности. Нижним пределом, ограничивающим применение ртути, является температура ее замерзания -38,9 °С. Температура кипения ртути при атмосферном давлении (357 °С) не является предельной. Для повышения верхнего предела пространство капилляра над ртутью заполняют инертным по отношению к ней азотом, с давлением зависящим от верхнего предела измерения При измерении температур до -70 °С используют спиртовые и толуоловые термометры. Применение пентана позволяет измерить температуры до -200 °С. Вместо ртутных термометров можно использовать платиновые и медные термометры сопротивления. Измерение количества теплоты. До последнего времени в качестве основной единицы измерения количества теплоты принималась калория (кал). Калория - это количество теплоты, которое необходимо сообщить 1г. дистиллированной воды для повышения ее температуры с 19,5 до 20,5 °С при давлении 101,325 кПа В теплотехнике применялась укрупненная единица измерения - килокалория (ккал), равная 1 000 кал. Килокалория (ккал) - это такое количество теплоты, которое необходимо сообщить 1 кг. дистиллированной воды для повышения ее температуры на 1°. Теплота является одним из видов энергии, способным производить работу. В системе единиц СИ теплота выражается универсальной единицей - джоулем (Дж) Джоуль - это работа, которую совершает сила в 1 Н на пути в 1 м. Можно применить и более крупную и удобную единицу (килоджоуль), равную 1 000 Дж., 1 Дж = 0,239 кал Горение любого топлива, в том числе и газового, сопровождается выделением теплоты. При этом количество теплоты, выделяемое при сжигании различных видов топлива, неодинаково. Поэтому введено понятие удельной теплоты сгорания. Удельной теплотой сгорания газового топлива называется количество теплоты, которое выделяется при полном сгорании 1 нм3 или 1 кг. газа. Теплоту сгорания газообразного топлива измеряют в килокалориях на кубический метр (при температуре 0 или 20 °С и давлении 760 мм. рт. ст.). Теплота сгорания определяется с помощью специальных приборов - калориметров - или расчетным путем, если известен химический состав топлива Различают низшую теплоту сгорания Qн и высшую Qв. Высшая теплота сгорания газового топлива соответствует условию, при котором водяные пары продуктов сгорания доводятся до жидкого состояния. В реальных условиях сжигания газа водяные пары не конденсируются, а находятся в парообразном состоянии. Понятие низшей теплоты сгорания относятся только к тем газам, которые при сгорании выделяют водяные пары. Разница между Qв и Qн составляет около 600 ккал на каждый килограмм водяных паров, т.е. около 6 ккал. на каждый процент влаги, содержащейся в топливе или образующийся при сгорании водорода, входящего в состав горючего газа Исходя из этого получаем: Qн = Qв - 600 . 0,8Vпар, где Vпар - объем водяных паров в нм3, образующихся при сжигании 1 нм3 газа (для метана Vпар = 2, для этана Vпар = 3; 0,8 - плотность водяных паров в кг/м3 при 0 °С и 760 мм. рт. Ст Высшую и низшую теплоту сгорания природного газа подсчитывают по следующим формулам Qв = 95CH4 = 167C2H6 + 237C3H8 + 307C4H10; Qн = 85,5CH4 + 152C2H6 + 218C3H8 + 284C4H10, где CH4, C2H6, C3H8, C4H10 - содержание в природном газе метана, этана, пропана и бутана. Цифровые значения обозначают низшие и высшие теплоты сгорания метана, этана, пропана и бутана, пересчитанные на 1% горючего компонента Для удобства сравнения различных видов топлива введено понятие условного топлива, теплота сгорания которого принимается равной 7 000 ккал/кг., или 29 288 кДж/кг Измерение объема и плотности газов. Объем газа измеряется в кубических метрах (м3). В связи с тем что объем газов значительно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, для сравнения объемных количеств газа их приводят к нормальным и стандартным условиям Нормальными условиями принято считать температуру 0 °С (237,2 К) и давление 101,325 кПа. На практике за единицу измерения количества газа принимают 1 м3 газа, взятого при давлении 101,325 кПа, температуре 20 °С и влажности, равной 0. Эти условия принято считать стандартными Для пересчета параметров, характеризующих состояние газа, на нормальные или стандартные условия можно использовать следующие формулы: приведение газа к нормальным условиям 273.2 P V0 = Vt -------------------- (273.2 + t) P0 приведение газа к стандартным условиям (273.2 + 20) P V20 = Vt ---------------- (273.2 + t) P0 где V0 - объем газа при нормальных условиях; Vt - объем газа при заданном давлении и температуре t °С; Pt - давление газа в момент измерения объема газа при температуре t °С; P0 - нормальное давление газа (101,325 кПа); 273,2 - нормальная температура, К; V20 - объем газа при стандартных условиях, т.е. при T = 273.2 + 20 = 293.2 К и давлении P Плотностью называется масса газа в единице объема. Применительно к газам плотность имеет размерность кг/м3 и определяется обычно при температуре 0 ° и давлении 101,325 кПа Чтобы показать на сколько 1 м3 данного газа легче или тяжелее 1 м3 воздуха, определяют относительную плотность. Для этого необходимо плотность газа разделить на плотность воздуха при нормальных условиях Влажность газов. Влажностью называется содержание в газе водяного пара. В природных газах содержание влаги зависит от температуры и давления. Чем выше температура газа, тем больше влаги содержится в единице объема газа. Давление газа имеет обратное действие: с повышением давления влажность газа уменьшается. Пары воды могут насыщать газ до определенного давления, равного давлению насыщенного водяного пара при данной температуре. Если содержание водяных паров превысит этот предел, то произойдет их конденсация, т.е. переход в жидкое состояние Температура, при которой газ полностью насыщен водяными парами, называется точкой росы данного газа. Наличие влаги в газе нежелательно, так как при транспортировании газа происходит внутренняя коррозия трубопроводов и арматуры, а также образование гидратов и конденсата в газопроводах. Кроме того, содержание влаги снижает теплоту сгорания газа. Поэтому производится тщательная осушка газа путем поглащения водяных паров твердыми или жидкими поглотителями. Однако несмотря на тщательную очистку, газовое топливо содержит некоторое количество водяных паров. Может произойти и дополнительное насыщение газа водой, попадающей в газопроводы при их строительстве Различают абсолютную, удельную и относительную влажность газа Абсолютная влажность - это количество или масса водяных паров в граммах, содержащихся в единице объема газа. Единица измерения абсолютной влажности - г/м3. Удельной влажностью газа называется количество или масса водяного пара, приходящаяся на единицу массы влажного газа. Единица измерения удельной влажности - г/кг. Под относительной влажностью (степенью насыщения газа водяными парами) понимают процентное отношение фактического количества водяных паров к максимально возможному его содержанию при заданных температуре и давлении. Относительную влажность φ выражают в процентах и определяют как отношение парциального давления содержащегося в газе водяного пара p к давлению насыщенного водяного пара P при той же температуре: p φ = ----- Р Относительная влажность насыщенного газа равна 1. Точка росы для углеводородных газов, представляющих собой смеси простых газов, зависит от их состава и давления. Точку росы из-за сложности ее расчета определяют теоретически по специальным номограммам Вязкость газов. Вязкость, или внутреннее трение - свойство газа оказывать сопротивление взаимному перемещению частиц. Эти силы сопротивления проявляются при относительном перемещении соседних слоев газа, вследствие чего между этими слоями возникает обмен количествами движения. Вязкость газов обусловлена перелетом хаотически движущихся молекул из слоя в слой. Например, если один слой газа движется быстрее соседнего, то на границе контакта этих слоев часть молекул первого слоя будет переходить во второй слой, стремясь ускорить его движение, а часть молекул второго слоя будет переходить в первый, стремясь замедлить его движение. Ньютоном было высказано предположение, впоследствии подтвержденное опытом, что силы внутреннего трения (сопротивления), возникающие при таком движении слоев, пропорционально площади соприкосновения слоев и скорости движения. Принимая площадь соприкосновения равной единице, можно записать: ( du τ = µ ------ dy), где: τ - сила внутреннего трения (сопротивления), отнесенная к единице площади; µ - коэффициент пропорциональности, зависящий от рода газа и называемый коэффициентом динамической вязкости или вязкостью газа; du/dy - градиент скорости в направлении, перпендикулярном плоскости соприкосновения слоев ….. С увеличением температуры и давления динамическая вязкость возрастает. Причем при давлении 4 МПа она мало зависит от давления, но при более высоких давлениях эта зависимость становится заметной. Динамическую вязкость смеси газов определяют исходя из динамической вязкости компонентов и их доли в смеси Основные законы газового состояния. |