Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu Gazy w odróżnieniu od cieczy kropelkowych charakteryzują się znaczną ściśliwością oraz wysokimi wartościami współczynnika rozszerzalności cieplnej. Zależność gęstości gazu od ciśnienia i temperatury ustala się za pomocą równania stanu. Najprostsze właściwości dotyczą gazu tak rozrzedzonego, że nie można uwzględnić interakcji między jego cząsteczkami. Jest to gaz doskonały (idealny), dla którego obowiązuje równanie Mendelejewa-Clapeyrona:

Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu p - ciśnienie bezwzględne; R - stała właściwa gazu, różna dla różnych gazów, ale niezależna od temperatury i ciśnienia (dla powietrza R = 287 J/(kg·K); T - temperatura bezwzględna. Zachowanie gazów rzeczywistych w warunkach odległych od skraplania różni się tylko nieznacznie od zachowanie gazów doskonałych i dla nich w szerokich granicach można zastosować równania stanu gazów doskonałych.

Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu W obliczeniach technicznych gęstość gazu podaje się zazwyczaj w normalnych warunkach fizycznych: T=20°C; p = 101325 Pa. Dla powietrza w tych warunkach ρ=1,2 kg/m3 Gęstość powietrza w pozostałych warunkach określa się ze wzoru:

Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu Zgodnie ze wzorem dla procesu izotermicznego (T = const): Proces adiabatyczny to proces, który zachodzi bez zewnętrznej wymiany ciepła. Dla procesu adiabatycznego k=ср/сv jest stałą adiabatyczną gazu; cp – pojemność cieplna gazu przy stałym ciśnieniu; cv - to samo, przy stałej głośności.

Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu Ważną cechą określającą zależność zmiany gęstości od zmiany ciśnienia w poruszającym się strumieniu jest prędkość rozchodzenia się dźwięku a. W ośrodku jednorodnym prędkość rozchodzenia się dźwięku wyznacza się ze wzoru: Dla powietrza a = 330 m/s; dla dwutlenku węgla 261 m/s.

Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu Ponieważ objętość gazu w dużej mierze zależy od temperatury i ciśnienia, wnioski uzyskane z badań cieczy kropelkowych można rozszerzyć na gazy tylko wtedy, gdy w granicach rozpatrywanego zjawiska zmienią się ciśnienie i temperatura są nieistotne. 3 Podczas poruszania się z dużą prędkością mogą wystąpić znaczne różnice ciśnień, powodujące znaczną zmianę gęstości gazów. Zależność między prędkością ruchu a prędkością dźwięku w nim pozwala ocenić potrzebę uwzględnienia ściśliwości w każdym konkretnym przypadku.

Wpływ temperatury i ciśnienia na gęstość gazu Jeśli ciecz lub gaz się porusza, to do oceny ściśliwości stosuje się nie wartość bezwzględną prędkości dźwięku, ale liczbę Macha, równą stosunkowi prędkości przepływu do prędkości dźwięku . M = ν/a Jeżeli liczba Macha jest znacznie mniejsza od jedności, wówczas kropelkę cieczy lub gazu można uznać za praktycznie nieściśliwą

Równowaga gazu Jeżeli wysokość słupa gazu jest niska, jego gęstość można uznać za taką samą na wysokości kolumny: wówczas ciśnienie wytworzone przez tę kolumnę określa podstawowe równanie hydrostatyki. Gdy wysokość słupa powietrza jest duża, jego gęstość w różnych punktach nie jest już taka sama, więc równanie hydrostatyczne nie ma w tym przypadku zastosowania.

Równowaga gazowa Rozważając równanie różnicy ciśnień dla przypadku absolutnego spoczynku i podstawiając do niego wartość gęstości, mamy do całkowania to równanie niezbędną znajomość prawa zmian temperatury powietrza wzdłuż wysokości słupa powietrza . Nie da się wyrazić zmiany temperatury jako prostej funkcji wysokości czy ciśnienia, dlatego rozwiązanie równania może być jedynie przybliżone.

Równowaga gazowa Dla poszczególnych warstw atmosfery można z wystarczającą dokładnością założyć, że zmiana temperatury w zależności od wysokości (a dla kopalni – od głębokości) następuje według prawa liniowego: T = T 0 + αz, gdzie T i T 0 to odpowiednio bezwzględna temperatura powietrza na wysokości (głębokość) z i na powierzchni ziemi α to gradient temperatury charakteryzujący zmianę temperatury powietrza wraz ze wzrostem wysokości (-α) lub głębokości (+α) o 1 m, K/m.

Równowaga gazowa Wartości współczynnika α są różne w różnych obszarach wzdłuż wysokości w atmosferze lub głębokości kopalni. Ponadto zależą one również od warunków meteorologicznych, pory roku i innych czynników. Do wyznaczania temperatury w troposferze (tj. do 11000 m) przyjmuje się najczęściej α = 0,0065 K/m, dla kopalń głębokich przyjmuje się średnią wartość α równą 0,004 0,006 K/m dla szybów suchych, dla mokrych. - 0,01.

Równowaga gazu Podstawiając wzór na zmianę temperatury do równania różnicy ciśnień i całkując go, otrzymujemy Równanie rozwiązuje się dla H, zastępując logarytmy naturalne dziesiętnymi, α ​​jego wartością z równania poprzez temperaturę, R wartością dla powietrza równa 287 J/(kg · K); i zastępcza g = 9,81 m/s2.

Równowaga gazowa W wyniku tych działań otrzymuje się wzór barometryczny H = 29, 3(T-T 0)(log p/p 0)/(log. T 0/T), a także wzór na określenie ciśnienia gdzie n określa się na podstawie wzoru

STAŁY RUCH GAZU W RURACH Prawo zachowania energii w postaci mechanicznej dla elementu o długości dx rury kołowej o średnicy d, pod warunkiem, że zmiana wysokości geodezyjnej jest niewielka w porównaniu ze zmianą ciśnienia piezometrycznego, ma postać Tutaj , stratę energii właściwej na skutek tarcia oblicza się zgodnie ze wzorem Darcy’ego-Weisbacha. Dla procesu politropowego ze stałym współczynnikiem politropowości n = const i przy założeniu, że po całkowaniu λ = const, otrzymuje się prawo rozkładu ciśnień w gazociągu

STAŁY RUCH GAZU W RURACH Zatem dla głównych gazociągów można zapisać wzór na przepływ masowy

STAŁY RUCH GAZU W RURACH M ω Dla n = 1 wzory obowiązują dla ustalonego izotermicznego przepływu gazu. Współczynnik oporu hydraulicznego λ dla gazu w zależności od liczby Reynoldsa można obliczyć korzystając ze wzorów stosowanych dla przepływu cieczy.

Kiedy rzeczywiste gazy węglowodorowe przemieszczają się, stosuje się równanie stanu dla procesu izotermicznego, w którym współczynnik ściśliwości z naturalnych gazów węglowodorowych wyznacza się z krzywych eksperymentalnych lub analitycznie - z przybliżonych równań stanu.

ω

Wyprowadzone równania różniczkowe (1.2, 1.4) zawierają parametry charakteryzujące ciecz lub gaz: gęstość R , lepkość M oraz parametry ośrodka porowatego – współczynniki porowatości M i przepuszczalność k . Do dalszych obliczeń konieczna jest znajomość zależności tych współczynników od ciśnienia.

Gęstość cieczy kropelkowej. Przy stałej filtracji cieczy kropelkowej jej gęstość można uznać za niezależną od ciśnienia, to znaczy ciecz można uznać za nieściśliwą: r = stała .

W procesach niestabilnych należy wziąć pod uwagę ściśliwość cieczy, która charakteryzuje się objętościowy stopień sprężania cieczy B . Współczynnik ten jest zwykle uważany za stały:

Po całkowaniu ostatniej równości z początkowych wartości ciśnienia p 0 i gęstość r 0 do aktualnych wartości, otrzymujemy:

W tym przypadku otrzymujemy liniową zależność gęstości od ciśnienia.

Gęstość gazów. Ściśliwe ciecze (gazy) przy niewielkich zmianach ciśnienia i temperatury można również scharakteryzować za pomocą współczynników sprężania objętościowego i rozszerzalności cieplnej. Ale przy dużych zmianach ciśnienia i temperatury współczynniki te zmieniają się w szerokich granicach, więc zależność gęstości gazu doskonałego od ciśnienia i temperatury opiera się na Równania stanu Clayperona-Mendelejewa:

Gdzie R' = R/M m– stała gazowa, zależna od składu gazu.

Stałe gazowe dla powietrza i metanu są odpowiednio równe, R΄ powietrze = 287 J/kg K˚; R΄ metan = 520 J/kg K˚.

Ostatnie równanie jest czasami zapisywane jako:

(1.50)

Z ostatniego równania jasno wynika, że ​​gęstość gazu zależy od ciśnienia i temperatury, więc jeśli gęstość gazu jest znana, konieczne jest wskazanie ciśnienia, temperatury i składu gazu, co jest niewygodne. Dlatego wprowadzono pojęcia normalnych i standardowych warunków fizycznych.

Normalne warunki odpowiadają temperaturze t = 0°C i ciśnieniu p przy = 0,1013°MPa. Gęstość powietrza w normalnych warunkach wynosi ρ v.n.us = 1,29 kg/m 3.

Warunki standardowe odpowiadają temperaturze t = 20°C i ciśnieniu p przy = 0,1013°MPa. Gęstość powietrza w warunkach normalnych wynosi ρ w.st.us = 1,22 kg/m 3.

Dlatego ze znanej gęstości w danych warunkach można obliczyć gęstość gazu przy innych wartościach ciśnienia i temperatury:

Pomijając temperaturę złoża, otrzymujemy równanie stanu gazu doskonałego, które wykorzystamy w przyszłości:

Gdzie z – współczynnik charakteryzujący stopień odchylenia stanu gazu rzeczywistego od prawa gazów doskonałych (współczynnik superściśliwości) i zależny dla danego gazu od ciśnienia i temperatury z = z(p, T) . Wartości współczynników superściśliwości z wyznaczane są według wykresów D. Browna.

Lepkość oleju. Doświadczenia pokazują, że współczynniki lepkości oleju (przy ciśnieniu powyżej ciśnienia nasycenia) i gazu rosną wraz ze wzrostem ciśnienia. Przy znacznych zmianach ciśnienia (do 100 MPa) można przyjąć, że zależność lepkości olejów złożowych i gazów ziemnych od ciśnienia jest wykładnicza:

(1.56)

Dla małych zmian ciśnienia zależność ta jest liniowa.

Tutaj m 0 – lepkość przy stałym ciśnieniu p 0 ; β m – współczynnik wyznaczany eksperymentalnie i zależny od składu ropy lub gazu.

Porowatość zbiornika. Aby dowiedzieć się jak współczynnik porowatości zależy od ciśnienia, rozważmy kwestię naprężeń działających w ośrodku porowatym wypełnionym cieczą. Wraz ze spadkiem ciśnienia w cieczy zwiększa się siła działająca na szkielet ośrodka porowatego, w związku z czym porowatość maleje.

Ze względu na małe odkształcenie fazy stałej uważa się, że zmiana porowatości zależy liniowo od zmiany ciśnienia. Prawo ściśliwości skał zapisano w następujący sposób, wprowadzając współczynnik sprężystości objętościowej formacji b c:

Gdzie m 0 – współczynnik porowatości pod ciśnieniem p 0 .

Doświadczenia laboratoryjne dla różnych skał ziarnistych oraz badania terenowe wykazały, że współczynnik sprężystości objętościowej formacji wynosi (0,3 - 2) 10 -10 Pa -1.

Przy znacznych zmianach ciśnienia zmianę porowatości opisuje równanie:

a dla dużych – wykładniczy:

(1.61)

W utworach spękanych przepuszczalność zmienia się w zależności od ciśnienia intensywniej niż w porowatych, zatem w utworach spękanych, biorąc pod uwagę zależność k(p) bardziej potrzebne niż granulowane.

Równania stanu cieczy lub gazu nasycającego formację oraz ośrodka porowatego zamykają układ równań różniczkowych.

Właściwości fizykochemiczne oleju i parametry go charakteryzujące: gęstość, lepkość, ściśliwość, współczynnik objętościowy. Ich zależność od temperatury i ciśnienia

Właściwości fizyczne olejów złożowych bardzo różnią się od właściwości olejów odgazowanych powierzchniowo, na co wpływa wpływ temperatury, ciśnienia i rozpuszczonego gazu. Zmiany właściwości fizycznych olejów złożowych związane z warunkami termodynamicznymi ich obecności w formacjach są uwzględniane przy obliczaniu zasobów ropy i gazu ropopochodnego podczas projektowania, zagospodarowania i eksploatacji złóż naftowych.

Gęstość odgazowanego oleju jest bardzo zróżnicowana – od 600 do 1000 kg/m 3 lub więcej i zależy głównie od składu węglowodorów i zawartości substancji asfaltowo-żywicznych.

Gęstość ropy w warunkach złożowych zależy od ilości rozpuszczonego gazu, temperatury i ciśnienia. Wraz ze wzrostem ciśnienia gęstość nieznacznie wzrasta, a wraz ze wzrostem pozostałych dwóch czynników maleje. Wpływ tych ostatnich czynników jest większy. Gęstość olejów nasyconych azotem lub dwutlenkiem węgla nieznacznie wzrasta wraz ze wzrostem ciśnienia.

Silniejszy jest wpływ ilości rozpuszczonego gazu i temperatury. Dlatego gęstość gazu jest ostatecznie zawsze mniejsza niż gęstość odgazowanego oleju na powierzchni. Wraz ze wzrostem ciśnienia gęstość oleju znacznie maleje, co wynika z nasycenia oleju gazem. Wzrost ciśnienia powyżej ciśnienia nasycenia oleju gazem powoduje nieznaczny wzrost gęstości oleju.

Na gęstość wód złożowych, oprócz ciśnienia, temperatury i rozpuszczonego gazu, duży wpływ ma ich zasolenie. Gdy stężenie soli w wodzie złożowej wynosi 643 kg/m 3, jej gęstość osiąga 1450 kg/m 3.

Współczynnik objętości. Kiedy gaz rozpuszcza się w cieczy, jego objętość wzrasta. Stosunek objętości cieczy z rozpuszczonym w niej gazem w warunkach zbiornikowych do objętości tej samej cieczy na powierzchni po jej odgazowaniu nazywa się współczynnikiem objętościowym

b=V PL / V POV

gdzie VPL to objętość ropy w warunkach złożowych; V POV to objętość tego samego oleju pod ciśnieniem atmosferycznym i t = 20°C po odgazowaniu.

Ponieważ w oleju można rozpuścić bardzo dużą ilość gazu węglowodorowego (nawet 1000 i więcej m3 w 1 m3 oleju), w zależności od warunków termodynamicznych współczynnik objętościowy oleju może sięgać 3,5 i więcej. Współczynniki objętościowe dla wody formacyjnej wynoszą 0,99-1,06.

Zmniejszenie objętości wydobytej ropy w porównaniu do objętości ropy w zbiorniku, wyrażone w procentach, nazywa się „skurczem”.

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

Kiedy ciśnienie spada z początkowego zbiornika p 0 do ciśnienia nasycenia, współczynnik objętościowy zmienia się niewiele, ponieważ olej z rozpuszczonym w nim gazem zachowuje się w tym obszarze jak zwykła, słabo ściśliwa ciecz, nieznacznie rozszerzając się wraz ze spadkiem ciśnienia. Wraz ze spadkiem ciśnienia z oleju stopniowo uwalnia się gaz, a stosunek objętościowy maleje. Wzrost temperatury oleju pogarsza rozpuszczalność gazów, co prowadzi do spadku współczynnika objętościowego

Lepkość. Jedną z najważniejszych cech oleju jest lepkość. Lepkość oleju uwzględniana jest niemal we wszystkich obliczeniach hydrodynamicznych związanych z transportem cieczy rurociągami, płukaniem odwiertów, transportem produktów ze studni rurami polowymi, obróbką stref dennych złoża różnymi metodami, a także w obliczeniach związanych z ruch oleju w formacji.

Lepkość oleju złożowego bardzo różni się od lepkości oleju powierzchniowego, ponieważ zawiera on rozpuszczony gaz i znajduje się w warunkach podwyższonego ciśnienia i temperatury. Wraz ze wzrostem ilości rozpuszczonego gazu i temperatury lepkość olejów maleje.

Wzrost ciśnienia poniżej ciśnienia nasycenia prowadzi do wzrostu współczynnika gazowego i w konsekwencji do spadku lepkości. Wzrost ciśnienia powyżej ciśnienia nasycenia oleju złożowego prowadzi do wzrostu lepkości

Wraz ze wzrostem masy cząsteczkowej oleju wzrasta jego lepkość. Również na lepkość oleju duży wpływ ma zawartość w nim parafin i substancji asfaltowo-żywicznych, zwykle w kierunku jej zwiększania.

Ściśliwość oleju. Olej ma elastyczność, czyli zdolność do zmiany swojej objętości pod wpływem ciśnienia zewnętrznego. Elastyczność cieczy mierzy się współczynnikiem ściśliwości, który definiuje się jako stosunek zmiany objętości cieczy do jej objętości pierwotnej pod wpływem zmiany ciśnienia:

β P = ΔV/(VΔP) , gdzie

ΔV – zmiana objętości oleju; V – początkowa objętość oleju; ΔP – zmiana ciśnienia

Współczynnik ściśliwości oleju złożowego zależy od składu, zawartości w nim rozpuszczonego gazu, temperatury i ciśnienia bezwzględnego.

Oleje odgazowane mają stosunkowo niski współczynnik ściśliwości, rzędu (4-7) * 10 -10 1/Pa, a oleje lekkie zawierające znaczną ilość rozpuszczonego gazu - do 140 * 10 -10 1/Pa. Im wyższa temperatura, tym wyższy współczynnik ściśliwości.

Gęstość.

Gęstość zwykle odnosi się do masy substancji zawartej w jednostce objętości. Odpowiednio wymiar tej ilości wynosi kg/m3 lub g/cm3.

ρ=m/V

Gęstość ropy w warunkach złożowych zmniejsza się pod wpływem rozpuszczonego w niej gazu i wzrostu temperatury. Jednakże gdy ciśnienie spada poniżej ciśnienia nasycenia, zależność gęstości oleju jest niemonotoniczna, a gdy ciśnienie wzrasta powyżej ciśnienia nasycenia, olej jest sprężany i gęstość nieznacznie wzrasta.

Lepkość oleju.

Lepkość charakteryzuje siłę tarcia (opór wewnętrzny), która powstaje pomiędzy dwiema sąsiadującymi warstwami wewnątrz cieczy lub gazu na jednostkę powierzchni, gdy poruszają się one wzajemnie.

Lepkość oleju określa się eksperymentalnie za pomocą specjalnego wiskozymetru VVD-U. Zasada działania wiskozymetru opiera się na pomiarze czasu opadania metalowej kulki w badanej cieczy.

Lepkość oleju określa się ze wzoru:

μ = t (ρ w – ρ f) k

t – czas opadania piłki, s

ρ w i ρ w - gęstość kuli i cieczy, kg/m 3

k – stała wiskozymetru

Wzrost temperatury powoduje spadek lepkości oleju (rys. 2.a). Wzrost ciśnienia poniżej ciśnienia nasycenia prowadzi do wzrostu współczynnika gazowego i w konsekwencji do spadku lepkości. Wzrost ciśnienia powyżej ciśnienia nasycenia oleju złożowego prowadzi do wzrostu lepkości (rys. 2. b).

Minimalna wartość lepkości występuje, gdy ciśnienie w formacji zrówna się z ciśnieniem nasycenia formacji.

Ściśliwość oleju

Olej ma elastyczność. Właściwości elastyczne oleju ocenia się za pomocą współczynnika ściśliwości oleju. Ściśliwość oleju oznacza zdolność cieczy do zmiany objętości pod wpływem ciśnienia:

β n = (1)

β n – współczynnik ściśliwości oleju, MPa -1-

V n – początkowa objętość oleju, m 3

∆V – pomiar objętości oleju pod wpływem pomiaru ciśnienia ∆Р

Współczynnik ściśliwości charakteryzuje względną zmianę jednostkowej objętości oleju przy zmianie ciśnienia na jednostkę. Zależy to od składu oleju w zbiorniku, temperatury i ciśnienia bezwzględnego. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta współczynnik ściśliwości.

Współczynnik objętości

Przez współczynnik objętościowy rozumie się wartość, która pokazuje, ile razy objętość ropy w warunkach złożowych przekracza objętość tej samej ropy po uwolnieniu gazu na powierzchnię.

in = V pl /V pieniądze

c – współczynnik objętościowy

Vpl i Vdeg – objętości złoża i odgazowanego oleju, m 3

Kiedy ciśnienie spada od początkowego zbiornika p 0 do ciśnienia nasycenia (odcinek ab), współczynnik objętościowy zmienia się niewiele, ponieważ olej z rozpuszczonym w nim gazem zachowuje się w tym obszarze jak zwykła, słabo ściśliwa ciecz, nieznacznie rozszerzając się wraz ze spadkiem ciśnienia.

Wraz ze spadkiem ciśnienia z oleju stopniowo uwalnia się gaz, a stosunek objętościowy maleje. Wzrost temperatury oleju pogarsza rozpuszczalność gazów, co prowadzi do spadku współczynnika objętościowego.

Strona 5

Temperatura absolutna

Łatwo zauważyć, że ciśnienie gazu zamkniętego w stałej objętości nie jest wprost proporcjonalne do temperatury mierzonej w skali Celsjusza. Wynika to chociażby z tabeli podanej w poprzednim rozdziale. Jeżeli w temperaturze 100°C ciśnienie gazu wynosi 1,37 kg/cm2, to w temperaturze 200°C wynosi 1,73 kg/cm2. Temperatura zmierzona termometrem Celsjusza podwoiła się, ale ciśnienie gazu wzrosło tylko 1,26 razy. Nie ma w tym oczywiście nic dziwnego, gdyż skala termometru Celsjusza jest ustalana arbitralnie, bez żadnego związku z prawami rozszerzalności gazu. Możliwe jest jednak, korzystając z praw gazowych, ustalić taką skalę temperatury, w której ciśnienie gazu będzie wprost proporcjonalne do temperatury zmierzonej na tej nowej skali. Zero w tej nowej skali nazywane jest zerem absolutnym. Nazwę tę przyjęto, ponieważ, jak udowodnił angielski fizyk Kelvin (William Thomson) (1824-1907), poniżej tej temperatury nie można schłodzić żadnego ciała.

W związku z tym tę nową skalę nazywa się absolutną skalą temperatury. Zatem zero absolutne wskazuje temperaturę równą -273°C i reprezentuje temperaturę, poniżej której w żadnym wypadku nie można schłodzić żadnego ciała. Temperatura wyrażona jako 273°+t1 reprezentuje temperaturę bezwzględną ciała, które ma temperaturę w skali Celsjusza równą t1. Temperatury bezwzględne są zwykle oznaczane literą T. Zatem 2730+t1=T1. Bezwzględna skala temperatury jest często nazywana skalą Kelvina i zapisywana jako T° K. Na podstawie powyższego

Otrzymany wynik można wyrazić słownie: ciśnienie danej masy gazu zamkniętej w stałej objętości jest wprost proporcjonalne do temperatury bezwzględnej. Jest to nowe wyrażenie prawa Charlesa.

Wzór (6) jest także wygodny w zastosowaniu w przypadku, gdy nie jest znane ciśnienie w temperaturze 0°C.

Objętość gazu i temperatura bezwzględna

Ze wzoru (6) możemy otrzymać następujący wzór:

Objętość określonej masy gazu pod stałym ciśnieniem jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Jest to nowe wyrażenie prawa Gay-Lussaca.

Zależność gęstości gazu od temperatury

Co stanie się z gęstością określonej masy gazu, jeśli temperatura wzrośnie, ale ciśnienie pozostanie niezmienione?

Przypomnijmy, że gęstość jest równa masie ciała podzielonej przez objętość. Ponieważ masa gazu jest stała, po podgrzaniu gęstość gazu zmniejsza się tyle razy, ile wzrasta jego objętość.

Jak wiemy, objętość gazu jest wprost proporcjonalna do temperatury bezwzględnej, jeśli ciśnienie pozostaje stałe. W rezultacie gęstość gazu pod stałym ciśnieniem jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury bezwzględnej. Jeśli d1 i d2 są gęstościami gazu w temperaturach t1 i t2, to zależność zachodzi

Jednolite prawo gazowe

Rozważaliśmy przypadki, gdy jedna z trzech wielkości charakteryzujących stan gazu (ciśnienie, temperatura i objętość) nie ulega zmianie. Widzieliśmy, że jeśli temperatura jest stała, to ciśnienie i objętość są ze sobą powiązane prawem Boyle'a-Mariotte'a; jeśli objętość jest stała, wówczas ciśnienie i temperatura są powiązane prawem Charlesa; Jeśli ciśnienie jest stałe, wówczas objętość i temperatura są powiązane prawem Gay-Lussaca. Ustalmy związek między ciśnieniem, objętością i temperaturą pewnej masy gazu, jeśli wszystkie trzy wielkości się zmienią.

Niech początkowa objętość, ciśnienie i temperatura bezwzględna pewnej masy gazu będą równe V1, P1 i T1, a końcowe - V2, P2 i T2 - Można sobie wyobrazić, że przejście ze stanu początkowego do końcowego nastąpiło w dwa etapy. Niech np. zmienimy najpierw objętość gazu z V1 na V2, a temperatura T1 pozostanie niezmieniona. Powstałe ciśnienie gazu będzie oznaczone Pav. Następnie temperatura zmieni się z T1 na T2 przy stałej objętości, a ciśnienie zmieni się z Pav. do P. Zróbmy tabelę:

Prawo Boyle’a – Mariotte

Prawo Charlesa

Zmieniając to, piszemy prawo Boyle’a-Mariotte’a dla pierwszego przejścia

Stosując prawo Charlesa do drugiego przejścia, możemy napisać

Mnożąc te równości wyraz po wyrazie i redukując przez Pcp otrzymujemy:

Zatem iloczyn objętości pewnej masy gazu i jego ciśnienia jest proporcjonalny do temperatury bezwzględnej gazu. Jest to ujednolicona zasada stanu gazu lub równanie stanu gazu.

Prawo Daltona

Do tej pory mówiliśmy o ciśnieniu dowolnego gazu – tlenu, wodoru itp. Jednak w przyrodzie i technologii bardzo często mamy do czynienia z mieszaniną kilku gazów. Najważniejszym tego przykładem jest powietrze, które jest mieszaniną azotu, tlenu, argonu, dwutlenku węgla i innych gazów. Od czego zależy ciśnienie mieszaniny gazów?

Do kolby włóż kawałek substancji wiążącej chemicznie tlen z powietrza (np. fosfor) i szybko zamknij kolbę korkiem i rurką. podłączony do manometru rtęciowego. Po pewnym czasie cały tlen w powietrzu połączy się z fosforem. Zobaczymy, że manometr będzie pokazywał mniejsze ciśnienie niż przed usunięciem tlenu. Oznacza to, że obecność tlenu w powietrzu zwiększa jego ciśnienie.

Dokładne badanie ciśnienia mieszaniny gazów po raz pierwszy przeprowadził angielski chemik John Dalton (1766-1844) w 1809 r. Ciśnienie, jakie miałby każdy z gazów tworzących mieszaninę, gdyby pozostałe gazy zostały usunięte z mieszaniny objętość zajmowana przez mieszaninę nazywana jest ciśnieniem cząstkowym tego gazu. Dalton stwierdził, że ciśnienie mieszaniny gazów jest równe sumie ich ciśnień cząstkowych (Prawo Daltona). Należy zauważyć, że prawo Daltona nie ma zastosowania do gazów silnie sprężonych, podobnie jak prawo Boyle'a-Mariotte'a.

Z reguły wraz ze spadkiem temperatury gęstość wzrasta, chociaż istnieją substancje, których gęstość zachowuje się inaczej, na przykład woda, brąz i żeliwo. Zatem gęstość wody ma maksymalną wartość w temperaturze 4 ° C i maleje zarówno wraz ze wzrostem, jak i spadkiem temperatury w stosunku do tej liczby.

Kiedy zmienia się stan skupienia, gęstość substancji zmienia się gwałtownie: gęstość wzrasta podczas przejścia ze stanu gazowego do cieczy i gdy ciecz krzepnie. To prawda, że ​​​​woda jest wyjątkiem od tej reguły; jej gęstość zmniejsza się w miarę krzepnięcia.

Stosunek P. dwóch substancji w pewnych standardowych warunkach fizycznych nazywa się P. względnym: dla substancji ciekłych i stałych określa się go zwykle w odniesieniu do P. wody destylowanej o temperaturze 4°C, dla gazów – w odniesieniu do P. P. suchego powietrza lub wodoru w normalnych warunkach.

Jednostką SI P. jest kg/m 3 , w systemie jednostek CGS g/cm 3 . W praktyce stosuje się również niesystemowe jednostki P: g/l, t/m 3 itd.

Do pomiaru gęstości substancji stosuje się gęstościomierze, piknometry, areometry i wagi hydrostatyczne (patrz wagi Mora). . Dr. metody wyznaczania gęstości opierają się na powiązaniu gęstości z parametrami stanu substancji lub z zależnością procesów zachodzących w substancji od jej gęstości gaz doskonały można obliczyć wg równanie stanu r = pm/RT, gdzie p to ciśnienie gazu, m to jego ciśnienie masa cząsteczkowa (masa molowa), R - stała gazowa , T - temperatura bezwzględna lub określona na przykład przez prędkość propagacji ultradźwięków (tutaj b jest adiabatyczneściśliwość gaz).

Zakres wartości P ciał naturalnych i środowisk jest wyjątkowo szeroki. Zatem gęstość ośrodka międzygwiazdowego nie przekracza 10 -21 kg/m 3 , średnia P. Słońca wynosi 1410 kg/m 3 , Ziemia - 5520 kg/m 3 , najwyższe metale P. - 22 500 kg/m 3 (osm), P. substancje jąder atomowych - 10 17 kg/m 3 , w końcu gęstość gwiazd neutronowych może najwyraźniej osiągnąć 10 20 kg/m 3 .

Ciśnieniomierz to mechaniczne urządzenie pomiarowe, konstrukcyjnie składające się ze stalowej lub plastikowej tarczy ze sprężyną w postaci rurki, przeznaczone do pomiaru ciśnienia substancji ciekłych i gazowych.

W manometrach mechanicznych zmierzone ciśnienie za pomocą elementu czujnikowego zamieniane jest na ruch mechaniczny, powodując mechaniczne odchylenie strzałek lub innych części mechanizmów zliczających, rejestrujących wyniki pomiarów, a także urządzeń sygnalizacyjnych i stabilizacji ciśnienia w manometrach. układów kontrolowanego obiektu. Sprężyny rurowe, membrany harmoniczne (mieszki) i płaskie oraz inne mechanizmy pomiarowe stosowane są jako czułe elementy manometrów mechanicznych, w których pod wpływem ciśnienia powstają odkształcenia sprężyste lub sprężystość specjalnych sprężyn.

Według dokładności wszystkie manometry mechaniczne dzielą się na: techniczne, kontrolne i standardowe. Manometry techniczne posiadają klasę dokładności 1,5; 2,5; 4; kontrola 0,5; 1,0; przykładowo 0,16; 0,45.

Sprężyny rurowe sprawdzianowe to puste w środku rurki o przekroju owalnym lub innym, wygięte po łuku kołowym, po linii śrubowej lub spiralnej i posiadające jeden lub więcej zwojów. Zwykła konstrukcja, najczęściej stosowana w praktyce, wykorzystuje sprężyny jednoobrotowe. Schemat ideowy i konstrukcyjny manometru ze sprężyną rurową jednozwojową przedstawiono na rys. 2.

Ryc.2. Manometr mechaniczny i jego charakterystyka

Koniec sprężyny dociskowej 5 jest przylutowany do złączki 1. Drugi przylutowany koniec K jest połączony zawiasowo prętem 3 z dźwignią sektora przekładni 4. Zęby sektora są sprzężone z napędzanym kołem zębatym 6, które jest zamontowane na osi 7 strzałek 9. Aby wyeliminować wibracje strzałki spowodowane szczelinami między zębami W przekładni zastosowano sprężynę spiralną 2, której końce są połączone z obudową i osią 7. Pod spodem znajduje się stała skala strzała.

Pod wpływem różnicy ciśnień wewnątrz i na zewnątrz sprężyna rurowa zmienia kształt swojego przekroju, w wyniku czego jej uszczelniony koniec K porusza się proporcjonalnie do różnicy ciśnień roboczych.

Schemat strukturalny manometru mechanicznego (ryc. 2, b) składa się z trzech ogniw liniowych I, II, III, których charakterystyki statyczne są przedstawione na wykresach i gdzie jest ruch wolnego końca sprężyny rurowej , jest początkowym kątem środkowym sprężyny rurowej. Ze względu na liniowość wszystkich ogniw ogólna charakterystyka statyczna manometru jest liniowa, a skala jednolita. Wartością wejściową ogniwa I jest zmierzone ciśnienie, a wartością wyjściową ruch wolnego (lutowanego) końca sprężyny manometrycznej5. Drążek 3 z dźwignią 4 sektora przekładni tworzy drugie ogniwo. Wartość wejściowa ogniwa II wynosi , a wartość wyjściowa to odchylenie kątowe końca sprężyny manometrycznej. Wartością wejściową ogniwa III (ogniwo III jest sektor przekładni zazębiony z napędzanym kołem zębatym 6) jest odchylenie kątowe, a wartością wyjściową jest odchylenie kątowe wskazówki 9 od znaku zerowego skali 8.

Manometry mechaniczne służą do pomiarów w obszarze niskiej próżni. W manometrach odkształceniowych element sprężysty związany ze wskaźnikiem ugina się pod wpływem różnicy pomiędzy ciśnieniem zmierzonym i referencyjnym (atmosfera lub wysoka próżnia). W manometrach przemysłowych mieszkowych serii BC-7 zmierzone ciśnienie powoduje ruch mieszka, który przekazywany jest do rejestratora. Urządzenia te posiadają skalę liniową do 760 torów i dokładność 1,6%.