Давление газа. Идеальный газ, давление газа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Давление в сосуде с газом создается ударами молекул о его стенку.

Вследствие теплового движения частицы газа время от времени ударяются о стенки сосуда (рис.1,а). При каждом ударе молекулы действуют на стенку сосуда с некоторой силой. Складываясь друг другом, силы ударов отдельных частиц, образуют некоторую силу давления, постоянно действующую на стенку сосуда. Молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда (рис.1,б).

Рис.1. Давление газа на стенку сосуда: а) возникновение давления вследствие ударов о стенку хаотически движущихся частиц; б) сила давления как результат упругого удара частиц.

На практике чаще всего имеют дело не с чистым газом, а со смесью газов. Например, атмосферный воздух представляет собой смесь азота, кислорода, углекислого газа, водорода и других газов. Каждый из газов, входящих в состав смеси, вносит свой вклад в суммарное давление, которое оказывает смесь газов на стенки сосуда.

Для газовой смеси справедлив закон Дальтона :

давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений каждого компонента смеси:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Парциальное давление — давление, которое бы занимал газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при данной температуре (рис.2).

Рис.2. Закон Дальтона для газовой смеси

С точки зрения молекулярно-кинетической теории закон Дальтона выполняется потому, что взаимодействие между молекулами идеального газа пренебрежимо мало. Поэтому каждый газ оказывает на стенку сосуда давление, как если бы остальных газов в сосуде не было.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

Задание	В закрытом сосуде находится смесь 1 моля кислорода и 2 молей водорода . Сравните парциальные давления обоих газов (давление кислорода) и (давление водорода):
Ответ	Давление газа обусловлено ударами молекул о стенки сосуда, оно не зависит от вида газа. В условиях теплового равновесия температура газов, входящих в состав газовой смеси, в данном случае кислорода и водорода, одинакова. Это значит, что парциальные давления газов зависят от количества молекул соответствующего газа. В одном моле любого вещества содержится

Где бы ни находился газ: в воздушном шаре, автомобильной шине, или металлическом баллоне - он заполняет собой весь объём сосуда, в котором находится.

Давление газа возникает совсем по другой причине, нежели давление твёрдого тела. Оно образуется в результате ударов молекул о стенки сосуда.

Давление газа на стенки сосуда

Двигаясь хаотично в пространстве, молекулы газа сталкиваются между собой и со стенками сосуда, в котором находятся. Сила удара одной молекулы мала. Но так как молекул очень много, и сталкиваются они с большой частотой, то, действуя сообща на стенки сосуда, они создают значительное давление. Если в газ помещено твёрдое тело, то оно также подвергается ударам молекул газа.

Проведём несложный опыт. Под колокол воздушного насоса поместим завязанный воздушный шарик, не полностью наполненный воздухом. Так как воздуха в нём мало, шарик имеет неправильную форму. Когда же мы начнём откачивать воздух из-под колокола, шарик станет раздуваться. Через некоторое время он примет форму правильного шара.

Что же произошло с нашим шариком? Ведь он был завязан, следовательно, количество воздуха в нём осталось прежним.

Всё объясняется довольно просто. Во время движения молекулы газа сталкиваются с оболочкой шарика снаружи и внутри него. Если воздух откачивается из колокола, молекул становится меньше. Уменьшается плотность, а значит и частота ударов молекул о наружную оболочку также уменьшается. Следовательно, давление снаружи оболочки падает. А так как внутри оболочки число молекул осталось прежним, то внутреннее давление превышает наружное. Газ давит изнутри на оболочку. И по этой причине она постепенно раздувается и принимает форму шара.

Закон Паскаля для газов

Молекулы газа очень подвижны. Благодаря этому давление они передают не только в направлении действия силы, вызывающей это давление, но и равномерно по всем направлениям. Закон о передаче давления сформулировал французский учёный Блез Паскаль: «Давление, производимое на газ или жидкость, передаётся без изменений в любую точку по всем направлениям ». Этот закон называют основным законом гидростатики - науки о жидкости и газе в состоянии равновесия.

Закон Паскаля подтверждается опытом с прибором, который называют шаром Паскаля . Этот прибор представляет собой шар из твёрдого вещества с проделанными в нём крошечными отверстиями, соединённый с цилиндром, по которому двигается поршень. Шар заполняется дымом. При сжатии поршнем дым выталкивается из отверстий шара одинаковыми струйками.

Давление газа вычисляют по формуле:

где е lin - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа;

n - концентрация молекул

Парциальное давление. Закон Дальтона

На практике чаще всего нам приходится встречаться не с чистыми газами, а с их смесями. Мы дышим воздухом, являющимся смесью газов. Выхлопные газы автомобилей - тоже смесь. При сварке уже давно не применяется чистый углекислый газ. Вместо него также используют газовые смеси.

Газовой смесью называют смесь газов, не вступающих в химические реакции между собой.

Давление отдельного компонента газовой смеси называется парциальным давлением .

Если предположить, что все газы смеси являются идеальными газами, то давление смеси определяется законом Дальтона: «Давление смеси идеальных газов, не взаимодействующих химически, равно сумме парциальных давлений».

Его величина определяется по формуле:

Каждый газ в смеси создаёт парциальное давление. Его температура равна температуре смеси.

Давление газа можно изменить, меняя его плотность. Чем больше газа будет закачано в металлический баллон, тем больше в нём будет молекул, ударяющихся о стенки, и тем выше станет его давление. Соответственно, откачивая газ, мы разрежаем его, и давление снижается.

Но давление газа также можно изменить, изменив его объём или температуру, то есть, сжав газ. Сжатие проводят, воздействуя силой на газообразное тело. В результате такого воздействия уменьшается занимаемый им объём, повышается давление и температура.

Газ сжимается в цилиндре двигателя при движении поршня. На производстве высокое давление газа создают, сжимая его с помощью сложных устройств - компрессоров, которые способны создать давление до нескольких тысяч атмосфер.

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.

Вопрос 1

Основные положения МКТ и их опытные обоснования.?

1. Все вещества состоят из молекул, т.е. имеют дискретное строение, молекулы разделены промежутками.

2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении.

3. Между молекулами тела существуют силы взаимодействия.

Броуновское движение?.

Броуновское движение - это непрерывное беспорядочное движение взвешенных в газе частиц.

Силы молекулярного взаимодействия?.

Между молекулами одновременно действует и притяжение и отталкивание. Природа взаимодействия молекул электромагнитная.

Кинетическая и потенциальная энергия молекул?.

Атомы и молекулы взаимодействуют и, следовательно, обладают потенциальной энергией E п.

Потенциальная энергия считается положительной при отталкивании молекул, отрицательной - при притяжении.

Вопрос 2

Размеры и масс молекул и атомов

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v(ню) принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.

Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:

N A =N/v(ню); N A =6,02*10 23 моль -1

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярная масса - масса одного моля вещества, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:

m 0 =m/N=m/v(ню)N A =M/N A

Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.

Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: m=29,9*10 -27

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Мг. Относительная молекулярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.

Число Авогадро

Число́ Авога́дро, конста́нта Авогадро - физическая константа, численно равная количеству специфицированных структурных единиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества. Определяется как количество атомов в 12 граммах (точно) чистого изотопа углерода-12. Обозначается обычно как N A , реже как L

N A = 6,022 140 78(18)×10 23 моль −1 .

Количество молей

Моль (обозначение: моль, международное: mol) - единица измерения количества вещества. Соответствует количеству вещества, в котором содержится N A частиц (молекул, атомов, ионов, или любых других тождественных структурных частиц). N A это постоянная Авогадро, равная количеству атомов в 12 граммах нуклида углерода 12C. Таким образом, количество частиц в одном моле любого вещества постоянно и равно числу Авогадро N A .

Скорость молекул

Состояние вещества

Агрега́тноесостоя́ние - состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами: способностью или неспособностью сохранять объём и форму, наличием или отсутствием дальнего и ближнего порядка и другими. Изменение агрегатного состояния может сопровождаться скачкообразным изменением свободной энергии, энтропии, плотности и других основных физических свойств.

Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе - Эйнштейна.

Вопрос 3

Идеальный газ, давление газа

Идеальный газ- это газ, в котором отсутствует сила взаимодействия между молекулами.

Давление газа обусловлено ударами молекул. Сила давления за 1 секунду о единичную поверхность называют давлением газа.

P – давление газа [па]

1 мм рт. ст. =133 Па

P 0 (ро)=101325 Па

P= 1/3*m 0 *n*V 2 -основное уравнение МКТ

n – концентрация молекул [м -3 ]

n=N/V - концентрация молекул

V 2 – средняя квадратичная скорость

P= 2/3*n*E K основные уравнения

P= n*k*T МКТ

E K –кинетическая энергия

E K = 3/2kT (kT- котЭ)