Газ считается идеальным. Идеальный газ, определение и свойства

идеальными газами

Термодинамическая система, термодин. процесс, параметры идеал. газа.

Непрерывное изме­нение состояния рабочего тела в результате взаимодей­ствия его с окруж. средой наз. термодина­мическим процессом

Различают равновесные и нерав­новесные процессы. Процесс, протекающий при значи­тельной разности t и давлений окружающей среды и рабочего тела и неравномерное их распределение по всей массе тела, наз. неравновесным. Если же процесс происходит бесконечно медленно и малой разности t окруж. среды и рабочего тела и равномерного распределения t и давления по всей массе тела, наз. равновесным.

К осн. параметрам состояния газов относятся: давление, t и удельный объем, плотность.

· Давление - результат удара газа о стенки сосуда, в кот он находится..

Различают абсолютное давл (полное) и избыточное. Под абсолютным давлением подразумевается полное давление, под которым находится газ.

Рабс=Рб+gph, gph=Ризб

Где Рабс - абсолютное (полное) давление газа в сосуде, Рб- атмосферное давление в барометре, g - усоркние св. пад. в точке измерения, p - плотность жидкости, h - высота столба жидкости.

Под избыточным давлением по­нимают разность между абсолютным давлением, боль­шим, чем атмосферное, и атмосферным давлением.

1атм=735.6мм.рт.ст.=1кг/см2=10 4 кг/м2=10 5 Па=1бар=10м.вод.ст

· Температура - мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул рабочего тела. Температура - параметр, характеризующий тепловое состояние тела. Температура тела определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла от тела с большей температурой к телу с меньшей температурой.

Для измерения температур приняты стоградусная шкала, шкала Кельвина, шкала Фаренгейта. В стоградусной шкале при pб =101,325кПа(760 мм.рт.ст.) за 0 0 С принимается температура таяния льда, а за 100 0 С – температура кипения воды. Градус этой шкалы обозначается через 0 С.

· Удельным объемом, v, м3/кг, называется объем еди­ницы массы газа, т. е. v=V/М где V - полный объем газа, м3; М - масса газа, кг, Обратная величина, кг/м3, P=G/V явл. Плотностью, представляющей собой количество вещества, заключенного в 1 м3, т. е. массу единицы объ­ема.

Внутренняя энергия идеального газа. Параметр состояния.

Внутренняя энергия газа U, Дж/кг – запас кинетической энергии газа, характеризующейся суммой кинетических энергий поступательного, вращательного движения молекул, энергии внутримолекулярного колебания атомов и энергии межмолекулярного взаимодействия (потенциальной энергии).

Первые 3 составляющие являются функцией от температуры, последняя (потенциальная энергия) = 0 (для идеального газа), след-но внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры и не зависит от объема: U=f(T).

Изменение внутр. энергии рабочего тела не зависит от его промежуточных состояний и хода процесса и определяется конечным и начальным состоянием: ∆U=U 2 -U 1 , Дж/кг, где U 2 -конечная внутренняя энергия, U 1 -начальная.

Во всех термодинамических процессах, если V=const, т.е. рабочее тело не расширяется и не совершает работы, сообщаемая ему теплота q=c v (T 2 -T 1) идёт только на увеличение его внутренней энергии т.е.:

∆U= c v (T 2 -T 1); ∆U= М(U 2 -U 1); ∆U= c v ∙dT

Для бесконечно малого изменения внутр. энергии: dU= c v ∙dt

Теплоёмкость газа.

Теплоёмкость (С) - кол-во тепловой энергии, необходимой для изменения температуры газа на 1 0 С. Измеряется в Дж/К.

Удельная теплоёмкость – теплоёмкость, отнесённая к одной количественной единице (кг, моль, м 3).

С, Дж/кг∙К – массовая теплоёмкость (к 1 кг)

С " , Дж/м 3 ∙К – объёмная теплоёмкость (к 1 м3)

µС, Дж/к моль∙К – молярная теплоёмкость (к 1 кмолю)

Между ними имеют место след. Отношения:

Если к телу подводиться бесконечно малое кол-во тепла, то это мгновенная теплоемкость: С= dq/dt , Дж/кг∙ 0 С.

Если к телу с температурой Т1 подводиться некоторое кол-во тепла q, то его температура становиться равной Т2 – средняя теплоёмкость: C m =q/T2-Т1

T 1 →T 2 q=∫Cdt C m | T 1 T 2 =q/T 2 -T 1

C m | T 2 T 1 =∫Cdt/T 2 -T 1 =(C m | 0 T 2 ∙T 2 -C m | T 1 0 ∙T 1)/T 2 -T 1

Особое значение для нагревания (или охлаждения) газа имеют условия, при которых происходит процесс подвода (или отвода) теплоты. В теплотехнике наиболее важным является:

Нагревание (или охлаждение) при постоянном объеме – изохорная теплоемкость;

Нагревание (или охлаждение) при постоянном давле­нии – изобарная теплоемкость.

Газовые смеси.

Идеальные газы, молекулы которых химически не реагируют друг с другом и между которыми отсутствуют силы притяжения и отталкивания, ведут себя в смеси так, как будто каждый из них находит­ся в занимаемом объеме один. Это значит, что каждый газ, входящий в смесь, занимает весь предоставленный для смеси объем и находится под своим, так называемым, парциальным давлением.

Общее давление смеси газов в таком случае будет состоять из суммы парциальных давлений (закон Дальтона):

P i - парциальное давление отдельного компонента - давление оказывающее о стенки сосуда при t и v газовой смеси.

Следовательно:

Температура каждого газа в установившемся состоянии будет равна температуре смеси:

Ур-ние состояния смеси газов выводится на основании ур-ний состояния отдельных компонентов смеси и имеет вид: . Для того чтобы можно было пользоваться этим уравнением, следует определить величину газовой постоянной смеси R см.

R см = g 1 *R 1 +g 2 *R 2 +…+g n *R n ,

где g 1 ,g 2 ,..,g n - массовые доли компонентов. Газовую постоянную смеси, Дж/(кг*К), можно найти также по формуле:

Газовая смесь может быть задана массовыми и обьемными долями:

Q i =M i /M cm =p i *r i /p cm ;

Цикл Карно. Теорема Карно.

Состоит из 4 процессов: 2 изотермических, 2 адиабатных.

В результате своих исследований Карно пред­ложил цикл, имеющий действительно наивысший воз­можный термический КПД в заданных температурных границах, т. е. при заданных температурах теплоотдатчика и теплоприемника.

Рассмотрим этот цикл в координатах р-v, считая, что он является равновесным и что, кроме того, его со­вершает 1 кг рабочего тела. В начале процесса рабочее тело имеет параметры p1,v1,T1(точка 1). Эта точка соответствует моменту, когда рабочее тело сооб­щается с теплоотдатчиком и начинается процесс расши­рения при постоянной температуре, равной Т1 до точки 2. В процессе расширения по изотерме 1-2 к рабочему телу подводится теплота в количестве q1. Работа изотер­мического расширения определяется площадью 122 1 1 1 . За процессом 1-2 следует разобщение рабочего тела с теплоотдатчиком и происходит дальнейшее рас­ширение по адиабате 2-3. Этот процесс продолжается до тех пор, пока поршень не займет крайнее положение, что соответствует точке 3. Работа адиабатного расшире­ния определяется площадью 233 1 2 1 . В этот мо­мент, т. е. в точке 3, рабочее тело сообщается с ХИТ, имеющим температуру Т2, и начинается про­цесс сжатия, в течение которого должно быть отведено q2 единиц теплоты. Начинается процесс изотермического сжатия – процесс 3-4. Работа 344 1 3 1 отрицательна. Когда отвод теплоты q2 прекратится, рабочее тело разобщается с теплоприемником (точка 4); дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4-1. Работа 411 1 4 1 отрицательна. В конце этого про­цесса рабочее тело принимает первоначальные парамет­ры.

В итоге получили результирующую положительную работу Lц.

Теорема Карно: процесс происходит в тепловом двигателе между 2 источниками тепла с температурой Т1 и Т2 и КПД процесса зависит только от этих температур.

12. Реальный газ. Парообразование в координатах PV. Теплота парообразования. Степень сухости пара.

Газы, молекулы которого обладают силами взаимодействия и имеют конечные, хотя и весьма малые, геометр. размеры, наз. реальными газами.

Рассмотрим процесс парообразования при постоянном давлении в координатах PV. Если подогреть воду при постоянном давлении, то объем увеличивается и при температуре, которая соответствует кипению воды, достигает величины b. при дальнейшем подводе теплоты к кипящей воде последняя начнет превращаться в пар, при этом давление и температура смеси воды с паром неизменные. Когда в процессе парообразования последняя частица превратится в пар, весь объем окажется заполнен паром. Такой пар насыщенным паром, а его температура называется температурой насыщения.

На участке b-c пар является влажным насыщенным. После полного испарения воды (точка с) пар становится сухим насыщенным. Влажный пар характеризуется степенью сухости x. Степенью сухости- массовая доля сухого насыщенного пара, находящего в 1 кг влажного пара. Рассмотрим процесс парообразования при более высоком давлении. Удельный объем при 0 С с повышением давления не изменяется. Удельный объем кипящей воды увеличится. Точка С’, соответствующая сухому насыщенному пару, левее точки С, т.к. давление возрастает более интенсивно, чем температура сухого насыщенного пара. Параметры отвечающие точке k называются критическими.

Парообразование изображается линией b-c. Количество теплоты, затраченное на превращение 1 кг кипящей воды в сухой насыщенный пар называется теплотой парообразования и обозначается r. С увеличением давления теплота парообразования уменьшается. В точке d пар не насыщает пространство и имеет высокую температуру. Такой пар называется перегретым.

Для определения параметров состояния влажного пара должна быть известна степень сухости.

13. Влажный воздух. Его св-ва.

Влажным воз­духом наз. парогазовая смесь, состоящая из су­хого воздуха и водяных паров. Состав влажного воздуха: 23% по массе кислорода, 21% по объему кислорода.

Влажный воздух, содержащий максимальное коли­чество водяного пара при данной температуре, наз. насыщенным. Воздух, в котором не содержится мак­симально возможное приданной t колич. водяного пара, наз. ненасыщенным. Ненасыщен­ный влажный воздух состоит из смеси сухого и перегре­того водяного пара, а насыщенный влажный воздух-из сухого воздуха и насыщенного водяного пара. Чтобы превратить из ненасыщеного в насыщенный влажный воздух нужно охладить.

Из ур-ний состояний реального газа наиболее простым явл. ур-ние Ван-дер-Ваальса: (p+a/v2)*(v-b)=RT,

где а- коэф., зависящий от сил сцепления;

b- величина, учитывающая собственный объем молекул.

Свойства: масса, температура, газовая постоянная, теплоемкость.

1) абсолютная влажность-кол-во водяных паров, содержащихся в 1 м3 воздуха (кг\м3),

2) относительная влажность-отношение плотности насыщенного пара к максимальному насыщенному пару ϕ=(ρ n \ρ нас)*100

где 1,005 –теплоемкость сухого воздуха

1,68 – теплоемкость перегретого воздуха.

5) Закону Дальтона. Давление влажного воздуха Рвв равно Рвв = Рсв + Рп, где Рсв, Рп -парциальные давления соответственно сухого воздуха и

Закон Кирхгофа, Ламберта.

З-н Кирхгофа. По закону Кирхгофа отноше­ние излучательной способности тела Е к его поглощательной способности А для всех тел одинаково и равно излучательной способности абсолютно черного тела Е 0 при той же температуре и зависит только от температу­ры, т. е. Е/А=Е 0 =f(T). Так как Е/Е 0 = а, то для всех серых тел А=а, т.е. поглощательная способность тела численно равна степени его черноты.

Рассмотрим случай теплообмена излучением между 2 стенками, имеющими большую повех-ть и расположенными параллельно на небольшом расстоянии одна от другой, т.е. так, что излучение каждой стенки полностью попадает на противоположную.

Пусть температуры поверх-ти стенок постоянно поддерживаются Т1 и Т2, причем Т1>Т2, а коэф-ты поглощения стенок равны соотв. А1 и А2, причем А1=а1, А=а2, т.е. коэф-ты поглощения и степени черноты соотв. равны. для этого на основании з-на Стефана-Больцмана получим:

Спр - приведенный коэф-т излучения, Вт/м2*К.

Здесь С1 и С2 – константы излучения тел, между которыми происходит процесс лучистого теплообмена.

Ур-е (1) можно использовать для расчета теплообмена, одно из которых имеет выпуклую форму и окружено поверх-тью другого, т.е. нах. в замкнутом пространстве. Тогда:

; F1,F2-поверхности 1 и 2-го тел, участвующие в лучистом теплообмене.

При произвольном расположении тел, между которыми происходит теплообмен излучением Е1-2, расч ф-ла прмет вид:

В данном случае Спр=С1*С2/Со, а коэф-т фи (так наз. Угловой коэф-т или коэф-т облучения)- величина безразмерная, зависящая от взаимного расположения, формы и размеров поверх-тей и показывающая долю лучистого потока, которая падает на F2 от всего потока, отдаваемого F1 лучеиспусканием.

З-н Ламберта - определяет зависи­мость излучаемой телом энергии от ее направления. Е φ =Е 0 ∙cosφ. Е 0 - количество энергии, излучаемое по нормали к по­верхности; Е φ - количество энергии, излучаемое по направлению, образующему угол φ с нормалью, то по з-ну Ламберта:

Т.о., з-н Ламберта определяет зависимость излучаемой телом энергии от ее направления.

Микроклимат помещений.

Микроклимат - совокупность значений таких параметров как температура, относ. Влажность, скорость и ср. температура внутренних поверхностей, обеспечивающих норм. жизнедеятельность человека в помещ. и норм. течение производственных процессов.

Микроклимат: комфортный, допустимый и дискомфортный.

Интенсивность теплоотдачи человека зависит от мик­роклимата помещения, характеризующегося t-рой внутр. воздуха tв, радиационной t-рой помещения tr, скоростью движ. и относительной влажностью φв воздуха. Сочетания этих параметров микроклимата, при ктр сохраняется тепловое равновесие в организме человека и отсутствует напряжение в его системе терморегуляции, наз. комфортными. Наиболее важно под­держивать в помещении в первую очередь благоприятные t-ные условия, т.к. подвижность и относи­тельная влажность воздуха имеют несу­щ колебания. Кроме оптимальных различают допустимые сочетания параметров микрокли­мата, при которых человек ощущает небольшой дис­комфорт.

Часть помещения, в которой человек находится ос­новное рабочее время, называют обслуживаемой или ра­бочей зоной. Комфорт должен быть обеспечен прежде всего в этой зоне.

Тепловые условия в помещении зависят главным об­разом от tв и tr, т.е. от его t-ной обстановки, ктр. принято характеризовать двумя условиями ком­фортности. Первое условие комфортности температурной обстановки опред. такую область сочетаний tви tr, при ктр. человек, находясь в центре рабочей зоны, не испытывает ни перегрева, ни переохлаждения.

Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека в непосредственной близости от них.

Во избежание недопустимого радиационного пере­грева или переохлаждения головы человека поверхности потолка и стен могут быть нагреты до допустимой тем­пературы

Двухтрубная система водяного отопления с принудительной циркуляцией. Варианты подводок.

Расширительный бак.

Представляет собой металлич-ю емкость цилиндр-ой формы со съемной крышкой и патрубками для присоед-я след-х труб: расширит-ой d1, контрольной d2 , выведенной к раковине в котельной для наблюдения за уровнем воды, переливной d3 для слива избытка воды при переполн-и расшир-го бака, циркуляц-ой d4 , соед-щей расшир-ый бак с обратным магистр-м теплопроводом для предотвращ-я замерз-я воды в расшир-м сосуде и в соед-ой трубе.

Полезный объем ( ,л) расширительного бака определяют по формуле:

где - 0,0006 1/ 0 С – коэффициент объемного расширения воды;

Изменение температуры воды от начальной до средней расчетной, 0 С;

Общий объем воды в системе, л

где - объем воды, соответственно в водоподогревателях, трубах, приборах, л, приходящийся на 1000Вт тепловой мощности системы водяного отопления.

Расширительный бакпредназначенный для компенсации давления, возник. в рез. темпер-го расширения теплоносителя при увеличении темпер.; выравнивание перепадов давления и компенсации гидравлических ударов в с макс. темпер. теплоносителя до 100°С; защиты узлов в контурах систем отопления и горячего водосн. от избыточного давления; компенсации эксплуатационных потерь теплоносителя, возник. в теч. отопительного периода; удаление воздуха из системы.

Расш. баки: открытого и закрытого исполнения.

Расш. баки открытого типа технологически устарели и в наст. вр. практич. применения не находят. Открытый расш. бак размещают над верхней точкой системы отопления, как правило, в чердачном помещении здания или на лест. клетке и покрывают тепловой изоляцией.

К расш. бакам закрытого типа относят мембранные баки, кот. сост. из стального корпуса, разделенного эластичной мембраной на две части - жидкостную и газовую полости. Жидкостная часть бака предназначена для приема теплоносителя из систем отопления и горячего водосн., газовая часть бака наполнена под повыш. давлением воздухом или азотом. Для поддержания необходимого давления в газовой камере бака имеется ниппель.

Воздухоудаление.

В системах вод. отопления с верхней разводкой, используют расширительный сосуд без доп. устройств. В сист с нижней - спец воздухоотводящую сеть, присоед. ее к расшир. баку или воздухосборнику (с помощью воздуховыпускных кранов или шурупов). Для надежного удаления воздуха и спуска воды, магистральные теплопроводы проклад. с уклоном. (не менее 0,002) по направлению движения теплоносителя. В системах с искусств цирк скорость движ. воды> скор всплывания воздуха, поэтому магистрали прокладывают с подъемам к крайним стоякам и в высших точках ставят воздухосборники.

Вентиляторы.

По принципу действия н назначению вентиляторы подразделяются на радиальные (центробежные), осе­вые, крышные и потолочные.

Радиальные (центробежные) вентиляторы . Обычный радиальный (центробежный) вентилятор со­стоит из трех основных частей: рабочего колеса с ло­патками (иногда называемого ротором), улиткообразно­го кожуха и станины с валом, шкивом и подшипниками.

Работа радиального вентилятора заключается в сле­дующем: при вращении рабочего колеса воздух поступа­ет через входное отверстие в каналы между лопатками колеса, под действием центробежной силы перемещается по этим каналам, собирается спиральным кожухом и на­правляется в его выходное отверстие. Таким образом, воздух в центробежный вентилятор поступает в осевом направлении и выходит из него в направлении, перпен­дикулярном оси.

Осевые вентиляторы . Простейший осевой вентилятор состоит из рабочего колеса, закреп­ленного на втулке и насаженного на вал электродвига­теля, и кожуха (обечайки), назначение которого - со­здавать направленный поток воздуха. При вращении ко­леса возникает движение воздуха вдоль оси вентилятора, что и определяет его название.

Осевой вентилятор по сравнению с радиальным соз­дает при работе больший шум и не способен преодоле­вать при перемещении воздуха большие сопротивления. В жилых и общественных зданиях осевые вентиляторы следует применять для подачи больших объемов возду­ха, но если не требуется давление выше 150-200 Па. Вентиляторы В-06-300-8А, В-06-300-10Л и В-06-300-12.5А широко используют в вытяжных системах вентиляции общественных и производственных зданий.

Подбор вентилятора . Вентилятор подбирают по по­даче L, м 3 /ч, и требуемому полному давлению вентиля­тора р, Па, пользуясь рабочими характеристиками. В них для определенной частоты вращения колеса даются за­висимости между подачей вентилятора по воздуху, с од­ной стороны, и создаваемым давлением, потребляемой мощностью и коэффициентом полезного действия - с другой.

Полное давление р, по которому подбирается венти­лятор, представляет собой сумму статического давления, расходуемого на преодоление сопротивлений по всасы­вающей и нагнетательной сети, и динамического, создаю­щего скорость движения воздуха.

Величина р, Па, определяется по формуле

Подбирая вентилятор, следует стремиться к тому, чтобы требуемым величинам давления и подачи соответствовало максимальное значение КПД. Это дик­туется не только экономическими соображениями, но и стремлением снизить шум вентилятора при работе его в области высоких КПД.

Требуемая мощность, кВт, электродвигателя для вентилятора определяют по формуле

где L- подача вентилятора, м 3 /ч; р -давление, создаваемое вен­тилятором, кПа; г],- КПД вентилятора, принимаемый по его ха­рактеристике; т 1рп _КПД ременной передачи, при клиноременной передаче равный 0,95, при плоском ремне -0,9.

Установочная мощность электродвигателя определя­ется по формуле

где а - коэффициент запаса мощности

Тип электродвигателя к вентилятору следует выби­рать, учитывая условия эксплуатации последнего - на­личие пыли, газа и паров, а также категорию пожаро- и взрывоопасности помещения.

Газовые бытовые приборы.

Печные горелки устанавливают в бытовых отопительных печах при переводе их на сжигание газа. Устройство применяют в печах без шиберов, оборудованных тягостабилизаторами, с режимами непрерывной и периодической топки.

Устройство имеет два режима работы - нормальный, когда работают основная и запальная горелки, и пониженный, когда работает только запальная горелка. При работе на пониженном режиме кран основной горелки должен быть закрыт.

Отопительные печи могут быть оборудованы горелочными устройствами и автоматикой безопасности других типов, прошедших испытания в установленном порядке, принятых к изготовлению и имеющих паспорт.

Бытовые газовые плиты

Плиты делятся на напольные и настольные (переносные). Настольные плиты не имеют духового шкафа, и их еще называют таганами. В эксплуатации находятся четырех-, трех- и двухконфорочные плиты.

По исполнению плиты выпускают обычной и повышенной комфортности. Газовые плиты повышенной комфортности имеют освещение духовки, горелку повышенной мощности, краны горелок стола с фиксированным положением «малое пламя», устройство для регулирования горизонтального положения стола. Также дополнительно они могут быть оборудованы горелкой стола пониженной мощности, электророзжигом горелок стола и духовки, жарочной горелкой духовки, вертелом в духовке с электрическим и ручным приводом, терморегулятором духовки, автоматикой контроля горения.

1. Идеальный газ, определение и его свойства.

2. Термодинам. система, термодинам. процесс, параметры идеального газа.

3. Уравнения состояния идеального газа. Физ. смысл газовой постоянной.

4. Внутренняя энергия идеального газа. Параметры состояния.

5. Работа газа. Параметр процесса.

6. Теплоемкость газа.

7. Газовые смеси.

8. I-ый закон термодинамики, его математическое выражение.

9. Выр-е I-го закона термодинамики для разл. термодинам. процессов

10. Круговые циклы. Термодинамический и холодильный коэффициенты.

11. Цикл Карно. Теорема Карно.

12. Реальный газ. Парообр-ние в PV координатах. Теплота парообр-я. Степень сухости пара.

13. Влажный воздух. Его свойства.

14. I-d диаграмма влажного воздуха. Изучение процессов обработки воздуха с помощью I-d диаграммы.

15. Температурное поле тела. Температурный градиент.

16. Теплопроводность. Закон Фурье.

17. Теплопроводность плоской стенки. Основное уравнение теплопроводности.

18. Конвективный теплообмен. Ур-е Ньютона-Рихмана. Коэфф. теплоотдачи.

19. Опр-е коэфф-та теплоотдачи с исп-ем критериальных уравнений.

20. Лучистый теплообмен. Уравнение Стефана-Больцмана.

21. Закон Кирхгофа, Ламберта.

22. Теплопередача. Ур-е и коэфф-т теплопередачи для плоской стенки.

23. Теплообменные аппараты. Опр-е пов-ти нагрева рекуперативных теплообменников.

24. Микроклимат помещений.

25. Сопр-е теплопередачи наруж. ограждений. Соотношения между ними.

26. Теплоустойчивость ограждений. Коэфф-т теплоусвоения S. Величина тепловой инерции D.

27. Воздухопрониц-ть ограждений. Сопр-е воздухопрониц-ти ограждений.

28. Опр-е тепловых потерь через ограждения. Правила обмера пов-тей охлаждения.

29. Опр-е тепловых потерь по укрупн. показателям. Удельная тепловая характеристика здания.

30. Система отопления: осн. Эл-ты, класс-ция, требования, предъявл. к отопительной установке.

31. Вывод гравитац. давления для двухтрубной системы отопления.

32. Опр-е циркуляц. давления в однотрубной системе.

33. Трубопроводы систем центр. отопления, их соед-я, способы прокладки.

34. Расширит. бак, его назначение, установка, точка присоединения к магистралям системы отопления, определение объема бака.

35. Воздухоудаление из систем водяного отопления.

36. Сист. пар. отопления. Принцип работы, класс-ция, осн. схемы. Воздухоудал. из сист. пар. отопления. Обл-ть прим-я систем газового отопления.

37. Нагреват. приборы сист. центр. отопления. Класс-ция, требования к ним. Хар-ка осн. видов нагреват. приборов.

38. Размещение и установка, способы присоед-я нагреват. приборов к трубопроводам сист. отопления. Схемы подводки теплоносителя к нагревательным приборам.

39. Коэфф-т теплопередачи нагреват. приборов. Опр-е пов-ти нагрева приборов.

40. Особенности расчета поверхности нагревательных приборов.

41. Регулировка теплоотдачи нагревательных приборов.

42. Топливо. Элементарный состав. Теплотворная способность топлива

43. Горение топлива. Теоретич. и действ. объем воздуха, необх. для горения топлива.

44. Способы сжигания топлива. Виды топочных устройств, их характеристики.

45. Котельная установка. Опр-е. Виды топочных устройств, их хар-ки.

46. Централизованное теплоснабжение. Схема ТЭЦ.

47. Тепловые сети, способы прокладки тепловых сетей, виды изоляции.

48. Присоед-е местных систем отопления к тепловым сетям.

49. Воздухообмен, способы его определения.

50. Назначение и классификация систем вентиляции

51. Естеств. вентиляция: инф-ция, аэрация, канальная система вентиляции.

52. Канальная вытяжная гравитац. система вентиляции, конструирование и её аэродинам. расчет.

53. Механическая система вентиляции. Ее элементы.

54. Устройства для очистки воздуха.

55. Устройства для подогрева воздуха.

56. Вентиляторы: классификация, принцип действия осевых и центробежных вентиляторов. Подбор вентиляторов.

57. Газоснабжение. Основные схемы. Устройство системы газоснабжения.

58. Газовые бытовые приборы.

Идеальный газ, определение и свойства.

Газы, молекулы которых не обладают силами взаимодействия, а сами молекулы представляют собой материальные точки с ничтожно малыми объёмами, называются идеальными газами . Понятие об идеальном газе введено для упрощения изучения термодинамических процессов и получения более простых расчётных формул.

Свойства идеального газа на основе молекулярно-кинетических представлений определяются исходя из физической модели идеального газа, в которой приняты следующие допущения:

Объём частицы газа равен нулю (то есть диаметр молекулы пренебрежимо мал по сравнению со средним расстоянием между ними);

Импульс передается только при соударениях (то есть силы притяжения между молекулами не учитываются, а силы отталкивания возникают только при соударениях);

Суммарная энергия частиц газа постоянна (то есть нет передачи энергии за счет передачи тепла или излучением);

Время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями;

В первой части издания представлены шесть лекций, посвященных раскрытию физического смысла основных законов и понятий механики.

Вторая часть продолжает курс лекций по физике и содержит девять лекций по молекулярной физике и термодинамике.

Предметом изучения молекулярной физики является движение больших совокупностей молекул. При изучении используются статистиче­ский и термодинамический методы.

Молекулярная физика исходит из представлений о молекулярном строении вещества. Поскольку число частиц в макросистеме велико, зако­номерности вней имеют статистический, т.е. вероятностный, характер. На основе определенных моделей молекулярная физика позволяет объяс­нить наблюдаемые свойства макросистем (систем, состоящих из очень большого числа частиц) как суммарный эффект действий отдельных мо­лекул. При этом используется статистический метод, в котором нас инте­ресуют не действия отдельных молекул, а средние значения определенных величин.

В термодинамике используют понятия и физические величины, от­носящиеся к системе в целом, например, объем, давление и температура. Термодинамика основана на общих принципах, или началах, которые представляют собой обобщение опытных фактов.

Термодинамический и статистический методы изучения макросис­тем дополняют друг друга. Термодинамический метод позволяет изучать явления без знания их внутренних механизмов. Статистический метод по­зволяет понять суть явлений, установить связь поведения системы в целом с поведением и свойствами отдельных частиц.

Цель автора, как и в первой части представленного издания, - сде­лать для начинающего студента фактически доступными основные поня­тия и закономерности молекулярной физики, порой весьма непростые. Студенту нужно не «зазубривать» материал, а постараться понять, раз­мышлять, проверить себя по вопросам для самоконтроля после каждой лекции, а также прорешать соответствующие задачи, например из пособия . Максимальное внимание должно быть уделено физическому смыслу изучаемого материала.

ВНИМАНИЕ! ПРЕДЛАГАЕМОЕ ИЗДАНИЕ ОБЛЕГЧАЕТ РАБОТУ СТУДЕНТА, НО НЕ ЗАМЕНЯЕТ САМИ ЛЕКЦИИ В АУДИТОРИИ!

Молекуляная физика

Лекция №7

Молекулярно-кинетическая теория (мкт) идеального газа

Понятие идеального газа. Молекулярно-кинетическое толкование температуры. Макроскопические параметры системы.

Число степеней свободы. Закон равнораспределение энергии. Внутренняя энергия идеального газа.

Давление газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории идеального газа (основное уравнение молекулярно-кинетической теории).

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева).

1. Понятие идеального газа.

Идеальным называется газ, взаимодействие, между молекулами которого пренебрежимо мало и состояние которого описывается уравнением Клапейрона-Менделеева.

Модель идеального газа .

1. Собственный объём молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда.

2. Между молекулами газа отсутствует силы взаимодействия .

3. Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие .

Взаимодействие между молекулами всякого газа становится пренебрежимо слабым при малых плотностях газа , при большом разрежении. Такие газы как воздух, азот, кислород, даже при обычных условиях, т.е. при комнатной температуре и атмосферном давлении мало отличаются от идеального газа. Особенно близки к идеальному газу гелий и водород.

Не следует думать, что взаимодействие между молекулами идеального газа вовсе отсутствует . Напротив, его молекулы сталкиваются друг с другом и эти столкновения существенны для установления определённых тепловых свойств газа . Но столкновения проходят настолько редко , что большую часть времени молекулы движутся как свободные частицы .

Именно столкновения между молекулами позволяют ввести такой параметр как температура. Температура тела характеризует энергию, с которой движутся его молекулы. Для идеального газа в равновесных условиях абсолютная температура пропорциональна средней энергии поступательного движения молекул .

Определение . Макроскопической называется система, образованная огромным числом частиц (молекул, атомов). Параметры, характеризующие поведение системы (например, газа), как целого, называется макропараметрами . Например, давление Р , объём V и температура Т газа – макропараметры.

Параметры, характеризующие поведение отдельных молекул (скорость, масса и т.п.) называется микропараметрами .

Простейшим объектом исследования идеальный газ. Идеальным газом называется газ, молекулы которого имеют пренебрежимо малый размер и не взаимодействуют на расстоянии. А при столкновениях взаимодействуют, как абсолютно упругие шары. Идеальный газ – абстракция. Но это понятие полезное, так как упрощает инженерные расчеты тепловых машин и процессов в них происходящих.

Основными параметрами газа, характеризующими его состояние являются объем, давление,, и температура,.

3. Атомная единица массы (а.Е.М.).

Массы молекул очень малы,
10 -27 кг. Поэтому для характеристики масс атомов и молекул применяют величины, получившие название атомной единицы массы элемента или молекулы,

1а.е.м. = 1,67 10 -27 кг =
.

Массы всех атомов и молекул измеряют в а.е.м.:

= 12 а.е.м.,
= 14 а.е.м.,
= 16 а.е.м.

Относительной молекулярной (
) или атомной () массой называется отношение массы молекулы или атома к (1/12) массы атома углерода
.

Как видно из определения
- безразмерные величины. Единица массы, равная (1/12) массы атома углерода
называется атомной единицей массы. (а.е.м.). Обозначим эту единицу (то есть а.е.м.), выраженную в килограммах через
. Тогда масса атома будет равна
, а масса молекулы -
.

Количество вещества, которое содержит число частиц (атомов или молекул), равное числу атомов в 0,012 кг изотопа
, называется молем.

Число частиц, содержащихся в моле вещества называется числом Авогадро,
= 6,022 10 23 моль -1 . Массу моля называют молярной массой,

(1)

В случае углерода

= 1,66 10 -27 кг.

Из (2) следует, что

= 0,001 кг/моль. (3)

Подставляя (3) в (1), имеем

= 0,001
кг/моль

=
г/моль.

Таким образом, масса моля, выраженная в граммах, численно равна относительной молекулярной массе.

= 12а.е.м.
= 12 г/моль,

= 16а.е.м.
= 16 г/моль,

= 32а.е.м.

= 32 г/моль.

4. Свойства идеального газа.

Размеры молекул порядка 1 А =10 -10 м.

Давление равно силе, действующей перпендикулярно на единичную площадку,
. Давление в СИ измеряется в Па (паскалях). Па = н/м 2 , 1 кг/см 2 = 1 атм = 9,8 10 4 Па, 1 мм рт.ст. = 133 Па.

5. Уравнение Менделеева-Клапейрона.

При небольших плотностях газы подчиняются уравнению

Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона, - число молей,= 8,31 Дж/моль К. Можно уравнению придать другой вид, если ввести величины

= 1,38 10 -23 Дж/К:

.

Если
- концентрация частиц, то

.

Если
, то

.

Это выражение используется в аэродинамике.

6. Основное уравнение кинетической теории газов (уравнение Клаузиуса).

Основное уравнение молекулярно кинетической теории связывает параметры состояния газа с характеристиками движения молекул.

Для вывода уравнения используется статистический метод, то есть зная характеристики отдельных молекул газа
(концентрация) можно найти- давление газа, характеристику всего газа.

Для вывода уравнения рассмотрим одноатомный идеальный газ. Молекулы движутся хаотически. Скорости молекул разные. Предположим, что число взаимных столкновений между молекулами газа пренебрежимо мало по сравнению с числом ударов о стенки сосуда, соударения молекул со стенками сосуда абсолютно упруги. Найдем давление на стенки сосуда, предположив, что газ находится в сосуде кубической формы с ребром . Давление ищем как усредненный результат ударов молекул газа о стенки сосуда.

1). По третьему закону Ньютона стенка получает импульс от каждой молекулы

2). За время
площадки
достигают только те молекулы, которые заключены в объеме

3). Число этих молекул в объеме
равно

.

4). Число ударов о площадку равно
.

5). При столкновении молекулы передают площадке импульс

Учитывая, что
- сила, а
- давление,

имеем для давления

(1)

Если в объеме газ содержит
молекул, которые движутся со скоростями
, то надо ввести понятие о среднеквадратичной скорости по формуле

. (2)

Тогда выражение (1) примет вид

=

Основное уравнение кинетической теории газов.

Это уравнение можно преобразовать, замечая, что

.

.

С другой стороны

.

.

Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул прямо пропорциональна температуре и не зависит от массы. При Т=0
= 0, движение молекул газа прекращается и давление равно нулю.

Абсолютная температура, Т – это мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Но это верно лишь при умеренных температурах, пока нет распада или ионизации молекул и атомов. Если число частиц в системе мало, то это тоже неверно, так как нельзя ввести понятие средней квадратичной скорости.

Из
и
следует

=.

; в которой пренебрегают размерами частиц газа, не учитывают силы взаимодействия между частицами газа, предполагая, что средняя кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия, и считают, что столкновения частиц газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Существуют модель классического идеального газа, свойства которого описываются законами классической физики, и модель квантового идеального газа, подчиняющегося законам квантовой механики. Обе модели идеального газа справедливы для реальных классических и квантовых газов при достаточно высоких температурах и разряжениях.

В модели классического идеального газа газ рассматривают как совокупность огромного числа одинаковых частиц (молекул), размеры которых пренебрежимо малы. Газ заключен в сосуд, и в состоянии теплового равновесия никаких макроскопических движений в нем не происходит. Т. е. это газ, энергия взаимодействия между молекулами которого значительно меньше их кинетической энергии, а суммарный объем всех молекул значительно меньше объема сосуда. Молекулы движутся по законам классической механики независимо друг от друга, и взаимодействуют между собой только во время столкновений, которые носят характер упругого удара. Давление идеального газа на стенку сосуда равно сумме импульсов, переданных за единицу времени отдельными частицами при столкновениях со стенкой, а энергия - сумме энергий отдельных частиц.

Состояние идеального газа характеризуют три макроскопические величины: P - давление, V - объем, Т - температура. На основе модели идеального газа были теоретически выведены ранее установленные опытным путем экспериментальные законы (закон Бойля- Мариотта , закон Гей-Люссака , закон Шарля , закон Авогадро). Эта модель легла в основу молекулярно-кинетических представлений (см. Кинетическая теория газов).

Установленная опытным путем связь между давлением, объемом и температурой газа приближенно описывается уравнением Клапейрона , которое выполняется тем точнее, чем ближе газ по свойствам к идеальному. Классический идеальный газ подчиняется уравнению состояния Клапейрона p = nkT , где р - давление, n - число частиц в единице объема, k - постоянная Больцмана , Т - абсолютная температура. Уравнение состояния и закон Авогадро впервые связали макрохарактеристики газа - давление, температуру, массу - с массой его молекулы.

В идеальном газе, где молекулы не взаимодействуют между собой, энергия всего газа является суммой энергий отдельных молекул и для одного моля одноатомного газа эта энергия U =3/2(RT) , где R - универсальная газовая постоянная . Эта величина не связана с движением газа как целого и является внутренней энергией газа. Для неидеального газа внутренняя энергия представляет сбой сумму энергий отдельных молекул и энергии их взаимодействия.

Частицы классического идеального газа распределены по энергиям согласно распределению Больцмана (см. Больцмана статистика).

Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как в условиях, близких к нормальным, а также при низких давлениях и высоких температурах реальные газы близки по свойствам к идеальному газу.

В современной физике понятие идеальный газ применяют для описания любых слабовзаимодействующих частиц и квазичастиц, бозонов и фермионов . Внеся поправки, учитывающие собственный объем молекул газа и действующие межмолекулярные силы, можно перейти к теории реальных газов.

При понижении температуры Т газа или увеличении его плотности n до определенного значения становятся существенными волновые (квантовые) свойства частиц идеального газа. Переход от классического идеального газа к квантовому происходит при таких значениях Т и n , при которых длины Волн де Бройля частиц, движущихся со скоростями порядка тепловых, сравнимы с расстоянием между частицами.

В квантовом случае различают два вида идеального газа: если частицы газа одного вида имеют спин, равный единице, то к ним применяют статистику Бозе - Эйнштейна , если частицы имеют спин, равный Ѕ , то применяют статистику Ферми - Дирака . Применение теории идеального газа Ферми - Дирака к электронам в металлах позволяет объяснить многие свойства металлического состояния.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Идеальный газ - это наиболее простая модель системы, состоящей из большого количества частиц.

Это газ, который состоит из материальных точек, имеющих конечную массу, но не имеющих объема. Данные частицы не могут взаимодействовать на расстоянии. Столкновения частиц идеального газа описываются при помощи законов абсолютно упругого соударения шаров. Следует отметить, что имеются в виду законы столкновения именно шаров, так как точечные частицы испытывают только лобовые столкновения, которые не могут изменять направления скоростей на разные углы.

Идеальный газ существует только в теории. В реальной жизни он не может существовать в принципе, так как точечные молекулы и отсутствие их взаимодействия на расстоянии аналогично их существованию вне пространства, то есть их не существованию. Ближе всех по своим свойствам к модели идеального газа приближаются газы при малом давлении (разреженные газы) и (или) высокой температуре. Модель идеального газа подходит для изучения методов исследования систем многих частиц, знакомства с соответствующими понятиями.

В промежутках между столкновениями молекулы идеального газа движется по прямым. Законы столкновений и соударений о стенки сосудов, в которых находится газ, известны. Следовательно, если знать положения и скорости всех частиц идеального газа в какой-то момент времени, то можно найти их координаты и скорости в любой другой момент времени. Эта информация наиболее полно описывает состояние системы частиц. Однако количество частиц столь велико, что динамическое описание системы многих частиц непригодно для теории и бесполезно для практики. Это означает, что для изучения систем многих частиц информация должна быть обобщена, и ее относят не к отдельным частицам, а к их большим совокупностям.

Давление идеального газа

При помощи модели идеального газа удалось качественно и количественно объяснить давление газа на стенки сосуда, в котором он находится. Газ оказывает давление на стенки сосуда потому, что его молекулы взаимодействуют со стенками как упругие тела по законам классической механики. Количественно давление (p) идеального газа получили равным:

где — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа; — концентрация молекул газа (N - число молекул газа в сосуде; V - объем сосуда).

Законы идеальных газов

Идеальным называют газы, которые строго подчиняются законам Бойля - Мариотта и Гей - Люссака.

Закон Бойля - Мариотта. Для постоянной массы (m) идеального газа при постоянной температуре (T) произведение давления (p) газа на его объем (V) является постоянной величиной для любых состояний рассматриваемого вещества:

Закон Гей-Люссака. Для постоянной массы газа при неизменном давлении выполняется соотношение:

В поведении реальных газов наблюдают отступления от законов Бойля — Мариотта и Гей-Люссака, и эти отступления различны для разных газов.

Для идеального газа выполняется закон Шарля. Который говорит о том, что для постоянной массы газа, при постоянном объеме, отношение давления газа к температуре, не изменяется:

Для связи параметров идеального газа, часто используют уравнение состояния, которое носит имена двух ученых Клапейрона и Менделеева:

где — молярная масса газа; - универсальная газовая постоянная.

Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов (p) равно сумме парциальных давлений () рассматриваемых газов:

При этом уравнение состояния смеси идеальных газов имеет вид (2), как будто газ является химически однородным.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2