Tính chất của khí và hỗn hợp khí được sử dụng để lặn xuống. Các yếu tố cơ học khí ảnh hưởng đến mật độ khí
Tính chất hóa lý của dầu và các thông số đặc trưng cho nó: mật độ, độ nhớt, độ nén, hệ số thể tích. Sự phụ thuộc của chúng vào nhiệt độ và áp suất
Tính chất vật lý của dầu mỏ rất khác so với tính chất của dầu đã khử khí bề mặt, được xác định bởi ảnh hưởng của nhiệt độ, áp suất và khí hòa tan. Thay đổi tính chất vật lý dầu thành hệ liên quan đến các điều kiện nhiệt động lực học của sự hiện diện của chúng trong các thành hệ được tính đến khi tính toán trữ lượng dầu và khí đốt, trong quá trình thiết kế, phát triển và vận hành các mỏ dầu.
Tỉ trọng dầu đã khử khí rất khác nhau - từ 600 đến 1000 kg/m3 trở lên và phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hydrocarbon và hàm lượng các chất nhựa đường.
Mật độ dầu trong điều kiện vỉa phụ thuộc vào lượng khí hòa tan, nhiệt độ và áp suất. Khi áp suất tăng, mật độ tăng nhẹ và khi tăng hai yếu tố còn lại, mật độ sẽ giảm. Ảnh hưởng của các yếu tố sau lớn hơn. Mật độ của dầu bão hòa nitơ hoặc carbon dioxide tăng nhẹ khi áp suất tăng.
Ảnh hưởng của lượng khí hòa tan và nhiệt độ mạnh hơn. Do đó, mật độ khí cuối cùng luôn nhỏ hơn mật độ dầu đã khử khí trên bề mặt. Khi áp suất tăng, mật độ dầu giảm đáng kể, đó là do dầu bão hòa với khí. Sự gia tăng áp suất trên áp suất bão hòa của dầu với khí góp phần làm tăng nhẹ mật độ dầu.
Mật độ của nước thành hệ, ngoài áp suất, nhiệt độ và khí hòa tan, còn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi độ mặn của chúng. Khi nồng độ muối trong nước thành hệ là 643 kg/m 3 thì mật độ của nó đạt tới 1450 kg/m 3.
hệ số âm lượng. Khi một chất khí hòa tan trong chất lỏng, thể tích của nó tăng lên. Tỷ số giữa thể tích chất lỏng và khí hòa tan trong nó trong điều kiện bể chứa với thể tích của chất lỏng đó trên bề mặt sau khi khử khí được gọi là hệ số thể tích
b=V PL / V POV
trong đó VPL là thể tích dầu trong điều kiện vỉa chứa; V POV là thể tích của cùng loại dầu ở áp suất khí quyển và t=20°C sau khi khử khí.
Vì dầu có thể hòa tan rất một số lượng lớn khí hydrocarbon(thậm chí 1000 m 3 trở lên trong 1 m 3 dầu), tùy theo điều kiện nhiệt động, hệ số thể tích của dầu có thể đạt 3,5 trở lên. Hệ số thể tích của nước thành hệ là 0,99-1,06.
Sự giảm thể tích dầu thu hồi so với thể tích dầu trong bể chứa, được biểu thị bằng phần trăm, được gọi là “độ co ngót”.
u=(b-1) / b *100%
Khi áp suất giảm từ bình chứa ban đầu p 0 đến áp suất bão hòa thì hệ số thể tích thay đổi rất ít, bởi vì Dầu có khí hòa tan ở vùng này hoạt động giống như một chất lỏng nén yếu thông thường, nở ra một chút khi áp suất giảm. Khi áp suất giảm, khí dần dần thoát ra khỏi dầu và tỷ lệ thể tích giảm. Nhiệt độ dầu tăng làm giảm khả năng hòa tan của khí, dẫn đến hệ số thể tích giảm
Độ nhớt. Một trong những đặc tính quan trọng nhất của dầu là độ nhớt. Độ nhớt của dầu được tính đến trong hầu hết các tính toán thủy động lực học liên quan đến nâng chất lỏng qua đường ống, xả giếng, vận chuyển sản phẩm từ giếng qua đường ống tại hiện trường và xử lý các khu vực hình thành gần giếng khoan. Các phương pháp khác nhau, cũng như trong các tính toán liên quan đến chuyển động của dầu trong bể chứa.
Độ nhớt của dầu mỏ rất khác với độ nhớt của dầu bề mặt, vì nó chứa khí hòa tan và ở điều kiện áp suất và nhiệt độ cao. Với sự gia tăng lượng khí hòa tan và nhiệt độ, độ nhớt của dầu giảm.
Sự gia tăng áp suất dưới áp suất bão hòa dẫn đến tăng hệ số khí và do đó làm giảm độ nhớt. Sự gia tăng áp suất trên áp suất bão hòa của dầu mỏ dẫn đến tăng độ nhớt
Có khuyến mãi trọng lượng phân tửĐộ nhớt của dầu tăng. Ngoài ra, độ nhớt của dầu bị ảnh hưởng rất nhiều bởi hàm lượng parafin và các chất nhựa đường trong đó, thường theo hướng tăng lên.
Khả năng nén dầu. Dầu có tính đàn hồi, tức là khả năng thay đổi thể tích dưới tác động của áp suất bên ngoài. Độ đàn hồi của chất lỏng được đo bằng hệ số nén, được định nghĩa là tỷ số giữa sự thay đổi thể tích của chất lỏng so với thể tích ban đầu của nó khi áp suất thay đổi:
β P =ΔV/(VΔP) , trong đó
ΔV - thay đổi thể tích dầu; V - thể tích dầu ban đầu; ΔP – thay đổi áp suất
Hệ số nén của dầu mỏ phụ thuộc vào thành phần, hàm lượng khí hòa tan trong đó, nhiệt độ và áp suất tuyệt đối.
Dầu đã khử khí có hệ số nén tương đối thấp, vào khoảng (4-7) * 10 -10 1/Pa và dầu nhẹ chứa một lượng khí hòa tan đáng kể - lên tới 140 * 10 -10 1/Pa. Nhiệt độ càng cao thì hệ số nén càng cao.
Tỉ trọng.
Mật độ thường đề cập đến khối lượng của một chất chứa trong một đơn vị thể tích. Theo đó, kích thước của đại lượng này là kg/m3 hoặc g/cm3.
ρ=m/V
Mật độ dầu trong điều kiện hồ chứa giảm do khí hòa tan trong đó và do nhiệt độ tăng. Tuy nhiên, khi áp suất giảm xuống dưới áp suất bão hòa, sự phụ thuộc của mật độ dầu là không đơn điệu, và khi áp suất tăng trên áp suất bão hòa, dầu bị nén và mật độ tăng nhẹ.
Độ nhớt của dầu.
Độ nhớt đặc trưng cho lực ma sát ( sức đề kháng nội bộ), phát sinh giữa hai lớp liền kề bên trong chất lỏng hoặc chất khí trên một đơn vị bề mặt khi chúng chuyển động lẫn nhau.
Độ nhớt của dầu được xác định bằng thực nghiệm bằng nhớt kế VVD-U đặc biệt. Nguyên lý hoạt động của nhớt kế dựa trên việc đo thời gian rơi của quả cầu kim loại trong chất lỏng đang được thử.
Độ nhớt của dầu được xác định theo công thức:
μ = t (ρ w – ρ f) k
t – thời gian bóng rơi, s
ρ w và ρ w - mật độ của quả bóng và chất lỏng, kg/m 3
k - hằng số nhớt kế
Nhiệt độ tăng làm giảm độ nhớt của dầu (Hình 2.a). Sự gia tăng áp suất dưới áp suất bão hòa dẫn đến tăng hệ số khí và do đó làm giảm độ nhớt. Sự gia tăng áp suất trên áp suất bão hòa của dầu mỏ dẫn đến tăng độ nhớt (Hình 2. b).
Giá trị tối thiểu của độ nhớt xảy ra khi áp suất trong thành hệ bằng với áp suất bão hòa của thành hệ.
Khả năng nén dầu
Dầu có tính đàn hồi. Tính chất đàn hồi của dầu được đánh giá bằng hệ số nén dầu. Khả năng nén của dầu đề cập đến khả năng chất lỏng thay đổi thể tích dưới tác động của áp suất:
β n = (1)
β n – hệ số nén dầu, MPa -1-
V n – thể tích dầu ban đầu, m3
∆V – đo thể tích dầu dưới tác dụng của phép đo áp suất ∆Р
Hệ số nén đặc trưng cho sự thay đổi tương đối trong một đơn vị thể tích dầu với sự thay đổi áp suất trên một đơn vị. Nó phụ thuộc vào thành phần của dầu chứa, nhiệt độ và áp suất tuyệt đối. Khi nhiệt độ tăng thì hệ số nén tăng.
hệ số âm lượng
Hệ số thể tích được hiểu là giá trị cho biết thể tích của dầu trong điều kiện vỉa chứa vượt quá thể tích của cùng loại dầu đó bao nhiêu lần sau khi khí thoát ra trên bề mặt.
in = Vpl /V tiền
c – hệ số thể tích
Vpl và Vdeg – thể tích bể chứa và dầu đã khử khí, m 3
Khi áp suất giảm từ bình chứa ban đầu p 0 đến áp suất bão hòa (đoạn ab), hệ số thể tích thay đổi rất ít, bởi vì Dầu có khí hòa tan ở vùng này hoạt động giống như một chất lỏng nén yếu thông thường, nở ra một chút khi áp suất giảm.
Khi áp suất giảm, khí dần dần thoát ra khỏi dầu và tỷ lệ thể tích giảm. Nhiệt độ dầu tăng làm giảm khả năng hòa tan của khí, dẫn đến giảm hệ số thể tích.
Copyrightã L.Kourenkov
Tính chất của khí
Áp suất khí ga
Khí luôn lấp đầy một thể tích giới hạn bởi những bức tường không thể xuyên thủng nó. Ví dụ, một bình gas hoặc săm bên trong của lốp ô tô hầu như được đổ đầy khí.
Khi cố gắng giãn nở, khí gây áp lực lên thành xi lanh, săm lốp hoặc bất kỳ vật thể nào khác, rắn hoặc lỏng mà nó tiếp xúc. Nếu chúng ta không tính đến tác động của trường hấp dẫn của Trái đất, với kích thước thông thường của các bình chỉ làm thay đổi áp suất không đáng kể, thì khi áp suất khí trong bình ở trạng thái cân bằng, đối với chúng ta dường như hoàn toàn đồng nhất. Nhận xét này áp dụng cho thế giới vĩ mô. Nếu chúng ta tưởng tượng những gì xảy ra trong thế giới vi mô của các phân tử tạo nên khí trong bình, thì không thể nói đến bất kỳ sự phân bố áp suất đồng đều nào. Ở một số nơi trên bề mặt tường, các phân tử khí va vào tường, trong khi ở những nơi khác thì không có tác động nào. Hình ảnh này luôn thay đổi một cách hỗn loạn. Các phân tử khí đập vào thành bình rồi bay đi với tốc độ gần bằng tốc độ của phân tử trước khi va chạm. Khi va chạm, phân tử truyền vào tường một lượng chuyển động bằng mv, trong đó m là khối lượng của phân tử và v là tốc độ của nó. Phản xạ từ bức tường, phân tử truyền cho nó cùng một lượng chuyển động mv. Do đó, với mỗi lần va chạm (vuông góc với tường), phân tử truyền cho nó một lượng chuyển động bằng 2mv. Nếu trong 1 giây có N lần va chạm trên 1 cm 2 của bức tường thì tổng lượng chuyển động được truyền cho nó. tiết diện của bức tường bằng 2Nmv. Theo định luật thứ hai của Newton, lượng chuyển động này bằng tích của lực F tác dụng lên phần tường này và thời gian t tác dụng. Trong trường hợp của chúng tôi t = 1 giây. Vậy F=2Nmv, có một lực tác dụng lên 1 cm 2 bức tường, tức là. áp suất, thường được ký hiệu là p (và p bằng số F). Vì vậy chúng tôi có
р=2Nmv
Không cần phải bàn cãi rằng số lần thổi trong 1 giây phụ thuộc vào tốc độ của các phân tử và số lượng phân tử n trên một đơn vị thể tích. Đối với một loại khí không bị nén nhiều, chúng ta có thể giả sử rằng N tỷ lệ với n và v, tức là p tỷ lệ thuận với nmv 2.
Vì vậy, để tính áp suất khí bằng lý thuyết phân tử, chúng ta phải biết các đặc điểm sau của thế giới vi mô của các phân tử: khối lượng m, tốc độ v và số lượng phân tử n trên một đơn vị thể tích. Để tìm ra những đặc điểm vi mô này của các phân tử, chúng ta phải xác định áp suất khí phụ thuộc vào những đặc điểm nào của thế giới vĩ mô, tức là. thiết lập bằng thực nghiệm các định luật về áp suất chất khí. Bằng cách so sánh các định luật thực nghiệm này với các định luật được tính toán bằng lý thuyết phân tử, chúng ta sẽ có thể xác định được các đặc tính của thế giới vi mô, chẳng hạn như tốc độ của các phân tử khí.
Vì vậy, hãy xác định áp suất khí phụ thuộc vào điều gì?
Thứ nhất, về mức độ nén khí, tức là. phụ thuộc vào số lượng phân tử khí trong một thể tích nhất định. Ví dụ, bằng cách bơm căng hoặc bóp lốp, chúng ta buộc khí ép mạnh hơn vào thành ống bên trong.
Thứ hai, nó phụ thuộc vào nhiệt độ của khí.
Thông thường, sự thay đổi áp suất được gây ra bởi cả hai lý do cùng một lúc: thay đổi thể tích và thay đổi nhiệt độ. Nhưng có thể tiến hành hiện tượng theo cách khi thể tích thay đổi thì nhiệt độ thay đổi không đáng kể hoặc khi nhiệt độ thay đổi thì thể tích thực tế không thay đổi. Chúng ta sẽ giải quyết những trường hợp này trước tiên sau khi đưa ra nhận xét sau.
Chúng ta sẽ xem xét khí ở trạng thái cân bằng.Điều này có nghĩa là; rằng cả trạng thái cân bằng cơ và nhiệt đã được thiết lập trong chất khí.
Cân bằng cơ học có nghĩa là không có chuyển động của từng phần riêng lẻ của chất khí. Để làm được điều này, điều cần thiết là áp suất khí ở tất cả các phần của nó phải giống nhau, nếu chúng ta bỏ qua sự chênh lệch nhỏ về áp suất ở lớp trên và lớp dưới của khí xảy ra dưới tác dụng của trọng lực.
Cân bằng nhiệt có nghĩa là không có sự truyền nhiệt từ phần này sang phần khí khác. Để làm được điều này, điều cần thiết là nhiệt độ trong toàn bộ thể tích khí phải giống nhau.
Sự phụ thuộc của áp suất khí vào nhiệt độ
Hãy bắt đầu bằng việc tìm ra sự phụ thuộc của áp suất khí vào nhiệt độ, với điều kiện là thể tích của một khối lượng khí nhất định không đổi. Những nghiên cứu này lần đầu tiên được thực hiện vào năm 1787 bởi Charles. Những thí nghiệm này có thể được tái hiện dưới dạng đơn giản hóa bằng cách đun nóng khí trong một bình lớn nối với áp kế thủy ngân dưới dạng một ống cong hẹp.
Chúng ta hãy bỏ qua sự tăng không đáng kể về thể tích của bình khi đun nóng và sự thay đổi không đáng kể về thể tích khi thủy ngân dịch chuyển trong một ống đo áp suất hẹp. Vì vậy, thể tích khí có thể được coi là không đổi. Khi đun nóng nước trong bình xung quanh bình, chúng ta ghi lại nhiệt độ của khí bằng nhiệt kế , và áp suất tương ứng - theo đồng hồ đo áp suất . Đổ đầy đá tan vào bình, đo áp suất tương ứng với nhiệt độ 0°C .
Các thí nghiệm thuộc loại này cho thấy như sau:
1. Độ tăng áp suất của một khối khí nhất định khi bị nung nóng thêm 1° là một phần a nhất định của áp suất mà khối khí này có ở nhiệt độ 0°C. Nếu áp suất ở 0°C được ký hiệu là P thì độ tăng áp suất của khí khi tăng thêm 1°C là aP.
Khi được làm nóng thêm t độ, độ tăng áp suất sẽ lớn hơn t lần, tức là độ tăng áp suất tỷ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ.
2. Giá trị a, biểu thị phần nào của áp suất ở 0°C mà áp suất khí tăng khi tăng thêm 1°, có cùng giá trị (chính xác hơn là gần như nhau) đối với tất cả các khí, cụ thể là . Đại lượng a được gọi là hệ số nhiệt, áp suất. Như vậy hệ số nhiệt áp của mọi chất khí đều có giá trị như nhau, bằng .
Áp suất của một khối khí nhất định khi đun nóng đến 1° V. khối lượng không đổi tăng theo một phần áp suất tại 0°C (định luật Charles).
Tuy nhiên, cần lưu ý rằng hệ số nhiệt độ của áp suất khí thu được khi đo nhiệt độ bằng nhiệt kế thủy ngân là không hoàn toàn giống nhau đối với các nhiệt độ khác nhau: định luật Charles chỉ được thỏa mãn một cách gần đúng, mặc dù có độ chính xác rất cao.
Công thức biểu diễn định luật Charles.
Định luật Charles cho phép bạn tính áp suất của một chất khí ở nhiệt độ bất kỳ nếu biết áp suất của nó ở 0°C. Đặt áp suất ở 0°C của một khối lượng khí nhất định trong khối lượng nhất định là , và áp suất của khí đó ở nhiệt độ t Có P. Có sự tăng nhiệt độ t, do đó, sự gia tăng áp lực là một t và áp suất mong muốn là
P = +a t=(1+ một t )= (1+ ) (1)
Công thức này cũng có thể được sử dụng nếu khí được làm lạnh dưới 0°C; trong đó t sẽ có giá trị âm. Ở nhiệt độ rất thấp, khi khí tiến đến trạng thái hóa lỏng, cũng như trong trường hợp khí nén ở mức độ cao, định luật Charles không được áp dụng và công thức (1) không còn hiệu lực.
Định luật Charles từ quan điểm của lý thuyết phân tử
Điều gì xảy ra trong thế giới vi mô của các phân tử khi nhiệt độ của chất khí thay đổi, chẳng hạn khi nhiệt độ của chất khí tăng và áp suất của nó tăng? Từ quan điểm của lý thuyết phân tử, có hai lý do có thể làm tăng áp suất của một loại khí nhất định: thứ nhất, số lượng tác động của các phân tử có thể tăng thêm 1 cm 2 trong 1 giây; thứ hai, lượng chuyển động được truyền khi một phân tử chạm vào tường có thể tăng lên. Cả hai lý do đều đòi hỏi phải tăng tốc độ của các phân tử. Từ đây, rõ ràng là sự gia tăng nhiệt độ khí (trong thế giới vĩ mô) là sự gia tăng tốc độ chuyển động ngẫu nhiên trung bình của các phân tử (trong thế giới vi mô). Các thí nghiệm xác định vận tốc của các phân tử khí mà tôi sẽ nói sâu hơn một chút đã xác nhận kết luận này.
Khi chúng ta xử lý không phải chất khí mà là chất rắn hoặc chất lỏng, chúng ta không có sẵn các phương pháp trực tiếp như vậy để xác định tốc độ của các phân tử của vật thể. Tuy nhiên, ngay cả trong những trường hợp này, không còn nghi ngờ gì nữa rằng khi nhiệt độ tăng thì tốc độ chuyển động của các phân tử cũng tăng lên.
Nhiệt độ của khí thay đổi khi thể tích của nó thay đổi. Quá trình đoạn nhiệt và đẳng nhiệt.
Chúng ta đã xác định được áp suất khí phụ thuộc như thế nào vào nhiệt độ nếu thể tích không đổi. Bây giờ chúng ta hãy xem áp suất của một khối khí nhất định thay đổi như thế nào tùy thuộc vào thể tích mà nó chiếm nếu nhiệt độ không đổi. Tuy nhiên, trước khi chuyển sang vấn đề này, chúng ta cần tìm ra cách duy trì nhiệt độ của khí không đổi. Để làm được điều này, cần phải nghiên cứu điều gì sẽ xảy ra với nhiệt độ của chất khí nếu thể tích của nó thay đổi nhanh đến mức thực tế không có sự trao đổi nhiệt giữa chất khí và các vật thể xung quanh.
Hãy làm thí nghiệm này. Trong một ống có thành dày làm bằng vật liệu trong suốt, đóng một đầu, chúng ta đặt bông gòn đã được làm ẩm nhẹ bằng ete, điều này sẽ tạo ra hỗn hợp hơi ete và không khí bên trong ống, sẽ phát nổ khi đun nóng. Sau đó nhanh chóng đẩy piston vừa khít vào trong ống. Chúng ta sẽ thấy một vụ nổ nhỏ xảy ra bên trong ống. Điều này có nghĩa là khi hỗn hợp hơi ete và không khí bị nén, nhiệt độ của hỗn hợp tăng mạnh. Hiện tượng này khá dễ hiểu. Nén khí ngoại lực, chúng ta đang thực hiện công, do đó nội năng của khí lẽ ra phải tăng lên; Đây là những gì đã xảy ra - khí nóng lên.
Bây giờ hãy để khí nở ra và thực hiện công chống lại các lực áp suất bên ngoài. Điều này có thể thực hiện được. Để một chai lớn chứa khí nén ở nhiệt độ phòng. Bằng cách kết nối chai với không khí bên ngoài, chúng ta sẽ tạo cơ hội cho không khí trong chai nở ra, để lại phần nhỏ. tạo các lỗ hướng ra ngoài và đặt nhiệt kế hoặc bình có ống vào dòng không khí giãn nở. Nhiệt kế sẽ hiển thị nhiệt độ thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ phòng và một giọt nước trong ống gắn vào bình sẽ chảy về phía bình, điều này cũng cho thấy nhiệt độ của không khí trong dòng giảm. Điều này có nghĩa là khi một chất khí nở ra và đồng thời thực hiện công, nó nguội đi và nội năng giảm đi. Rõ ràng rằng sự nóng lên của chất khí trong quá trình nén và làm mát trong quá trình giãn nở là biểu hiện của định luật bảo toàn năng lượng.
Nếu chúng ta chuyển sang mô hình vi mô, hiện tượng khí nóng lên trong quá trình nén và làm mát trong quá trình giãn nở sẽ trở nên khá rõ ràng. Khi một phân tử chạm vào một bức tường đứng yên và bật ra khỏi nó, tốc độ và do đó động năng của phân tử đó trung bình giống như trước khi chạm vào bức tường. Nhưng nếu một phân tử va chạm và bật lại từ một pít-tông đến gần nó, thì tốc độ và động năng của nó sẽ lớn hơn trước khi chạm vào pít-tông (giống như tốc độ của một quả bóng tennis tăng lên nếu nó bị vợt đánh theo hướng ngược lại). Piston tiếp cận sẽ truyền thêm năng lượng cho phân tử phản xạ từ nó. Do đó, nội năng của chất khí tăng lên trong quá trình nén. Khi bật trở lại từ pít-tông đang rút lui, tốc độ của phân tử giảm xuống, bởi vì phân tử hoạt động bằng cách đẩy pít-tông rút lui. Do đó, sự giãn nở của chất khí, gắn liền với sự co lại của piston hoặc các lớp khí xung quanh, kèm theo công và dẫn đến sự giảm nội năng của chất khí.
Vì vậy, sự nén của một chất khí bởi ngoại lực sẽ làm cho nó nóng lên, và sự giãn nở của chất khí đi kèm với sự nguội đi của nó. Hiện tượng này luôn xảy ra ở một mức độ nào đó, nhưng tôi nhận thấy nó đặc biệt rõ ràng khi sự trao đổi nhiệt với các vật xung quanh được giảm thiểu, bởi vì sự trao đổi như vậy có thể bù đắp cho sự thay đổi nhiệt độ ở mức độ lớn hơn hoặc nhỏ hơn.
Những quá trình trong đó sự truyền nhiệt không đáng kể đến mức có thể bỏ qua được gọi là đoạn nhiệt.
Chúng ta hãy quay lại câu hỏi được đặt ra ở đầu chương. Làm thế nào để đảm bảo nhiệt độ khí không đổi, mặc dù thể tích của nó thay đổi? Rõ ràng, để làm được điều này, cần phải truyền nhiệt liên tục cho chất khí từ bên ngoài nếu nó giãn nở, đồng thời liên tục loại bỏ nhiệt khỏi nó, truyền nhiệt sang các vật xung quanh nếu chất khí bị nén. Đặc biệt, nhiệt độ của chất khí vẫn khá ổn định nếu quá trình giãn nở hoặc nén của chất khí rất chậm và sự truyền nhiệt từ bên ngoài hoặc bên ngoài có thể xảy ra với tốc độ vừa đủ. Với sự giãn nở chậm, nhiệt từ các vật xung quanh được truyền sang chất khí và nhiệt độ của nó giảm rất ít đến mức có thể bỏ qua sự giảm này. Ngược lại, khi nén chậm, nhiệt được truyền từ chất khí sang các vật xung quanh và kết quả là nhiệt độ của nó chỉ tăng không đáng kể.
Các quá trình trong đó nhiệt độ được duy trì không đổi gọi là đẳng nhiệt.
Định luật Boyle - Mariotte
Bây giờ chúng ta hãy chuyển sang nghiên cứu chi tiết hơn về câu hỏi áp suất của một khối khí nhất định thay đổi như thế nào nếu nhiệt độ của nó không đổi và chỉ có thể tích của khí thay đổi. Chúng tôi đã phát hiện ra rằng điều này đẳng nhiệt quá trình này được thực hiện trong điều kiện nhiệt độ của các vật xung quanh chất khí không đổi và thể tích của chất khí thay đổi chậm đến mức nhiệt độ của chất khí tại bất kỳ thời điểm nào của quá trình không khác với nhiệt độ của các vật xung quanh .
Do đó, chúng tôi đặt ra câu hỏi: thể tích và áp suất liên hệ với nhau như thế nào trong quá trình thay đổi đẳng nhiệt ở trạng thái của chất khí? Kinh nghiệm hàng ngày dạy chúng ta rằng khi thể tích của một khối khí nhất định giảm thì áp suất của nó tăng lên. Một ví dụ là sự gia tăng độ đàn hồi khi bơm bóng đá, lốp xe đạp hoặc ô tô. Câu hỏi đặt ra: làm thế nào Áp suất của chất khí có tăng khi thể tích giảm nếu nhiệt độ của chất khí không đổi?
Câu trả lời cho câu hỏi này được đưa ra bởi nghiên cứu được thực hiện ở thế kỷ XVII Nhà vật lý và hóa học người Anh Robert Boyle (1627-1691) và nhà vật lý người Pháp Eden Marriott (1620-1684).
Các thí nghiệm thiết lập mối quan hệ giữa thể tích khí và áp suất có thể được mô phỏng lại: trên giá đỡ thẳng đứng , được trang bị các ngăn, có ống thủy tinh MỘT Và TRONG, nối với nhau bằng ống cao su C. Thủy ngân được đổ vào ống. Ống B mở ở trên, ống A có vòi. Hãy đóng vòi này lại, do đó khóa một khối không khí nhất định trong ống MỘT. Chỉ cần chúng ta không di chuyển các ống thì mức thủy ngân trong cả hai ống là như nhau. Điều này có nghĩa là áp suất của không khí bị mắc kẹt trong ống MỘT, giống như áp suất không khí xung quanh.
Bây giờ chúng ta hãy từ từ nhấc điện thoại lên TRONG. Chúng ta sẽ thấy thủy ngân trong cả hai ống sẽ dâng lên nhưng không bằng nhau: trong ống TRONG mức thủy ngân sẽ luôn cao hơn ở ống A. Nếu bạn hạ thấp ống B thì mức thủy ngân ở cả hai khuỷu tay đều giảm, nhưng trong ống TRONG mức giảm lớn hơn so với MỘT.
Thể tích không khí bị mắc kẹt trong ống MỘT, có thể được tính bằng cách chia ống MỘT.Áp suất của không khí này sẽ khác với áp suất khí quyển bởi lượng áp suất của cột thủy ngân, độ cao của cột này bằng chênh lệch mức thủy ngân trong ống A và B. At. nhấc điện thoại lên TRONGáp suất của cột thủy ngân được cộng vào áp suất khí quyển. Thể tích không khí ở A giảm. Khi chiếc điện thoại bị hỏng TRONG mức thủy ngân trong đó thấp hơn ở A, và áp suất của cột thủy ngân được trừ vào áp suất khí quyển; thể tích không khí trong A tăng tương ứng.
So sánh các giá trị áp suất và thể tích không khí bị nhốt trong ống A thu được theo cách này, chúng ta sẽ tin rằng khi thể tích của một khối không khí nhất định tăng lên một số lần nhất định thì áp suất của nó giảm đi một lượng như nhau, và ngược lại. Trong các thí nghiệm của chúng tôi, nhiệt độ không khí trong ống có thể được coi là không đổi.
Các thí nghiệm tương tự có thể được thực hiện với các loại khí khác. Kết quả là như nhau.
Vì thế, áp suất của một khối khí nhất định ở nhiệt độ không đổi tỷ lệ nghịch với thể tích của khí (định luật Boyle-Mariotte).
Đối với các loại khí hiếm, định luật Boyle-Mariotte được đáp ứng với độ chính xác cao. Đối với các khí được nén hoặc làm mát ở mức độ cao, người ta thấy có những sai lệch đáng chú ý so với định luật này.
Công thức biểu diễn định luật Boyle-Mariotte.
(2)
Đồ thị thể hiện định luật Boyle-Mariotte.
Trong vật lý và công nghệ, người ta thường sử dụng đồ thị biểu thị sự phụ thuộc của áp suất khí vào thể tích của nó. Hãy vẽ đồ thị như vậy cho một quá trình đẳng nhiệt. Chúng ta sẽ vẽ thể tích khí dọc theo trục hoành và áp suất của nó dọc theo trục hoành.
Hãy lấy một ví dụ. Gọi áp suất của một khối khí cho trước có thể tích 1 m 3 bằng 3,6 kg/cm 2 . Dựa vào định luật Boyle-Mariotte, chúng ta tính được với thể tích bằng 2 tôi 3 , áp suất là 3,6 * 0,5 kg/cm 2 = 1,8kg/cm 2 . Tiếp tục tính toán ta được bảng sau:
|
V (trong tôi 3 ) |
||||||
|
P(V kg1cm 2 ) |
Vẽ dữ liệu này trên bản vẽ dưới dạng điểm, trục hoành là giá trị V và tọa độ là giá trị tương ứng R, chúng ta thu được đồ thị đường cong của quá trình đẳng nhiệt trong chất khí (hình trên).
Mối quan hệ giữa mật độ khí và áp suất của nó
Hãy nhớ lại rằng mật độ của một chất là khối lượng chứa trong một đơn vị thể tích. Nếu bằng cách nào đó chúng ta thay đổi thể tích của một khối khí nhất định thì mật độ của khí sẽ thay đổi. Ví dụ, nếu chúng ta giảm thể tích của một chất khí đi 5 lần thì mật độ của chất khí đó sẽ tăng lên gấp 5 lần. Đồng thời, áp suất khí sẽ tăng lên; nếu nhiệt độ không thay đổi thì theo định luật Boyle-Mariotte cho thấy, áp suất cũng sẽ tăng gấp 5 lần. Từ ví dụ này rõ ràng rằng trong quá trình đẳng nhiệt, áp suất khí thay đổi tỷ lệ thuận với mật độ của nó.
Có mật độ khí được chỉ định ở áp suất và bằng cách sử dụng các chữ cái và , chúng ta có thể viết:
Kết quả quan trọng này có thể được coi là một biểu hiện khác và có ý nghĩa hơn của định luật Boyle-Mariotte. Thực tế là thay vì thể tích khí, phụ thuộc vào một trường hợp ngẫu nhiên - vào khối lượng khí được chọn - công thức (3) bao gồm mật độ của khí, giống như áp suất, đặc trưng cho trạng thái của khí và không hoàn toàn không phụ thuộc vào việc chọn ngẫu nhiên khối lượng của nó.
Giải thích phân tử định luật Boyle - Mariotte.
Ở chương trước, trên cơ sở định luật Boyle-Mariotte, chúng ta đã biết rằng ở nhiệt độ không đổi, áp suất của một chất khí tỷ lệ thuận với mật độ của nó. Nếu mật độ của khí thay đổi thì số phân tử trên 1 cm 3 cũng thay đổi một lượng như nhau. Nếu khí không bị nén quá mức và chuyển động của các phân tử khí có thể coi là hoàn toàn độc lập với nhau thì số lần thổi trên 1 giây trên 1 cm 2 thành mạch tỷ lệ thuận với số lượng phân tử trong 1 cmt 3 . Vì vậy, nếu tốc độ trung bình các phân tử không thay đổi theo thời gian (chúng ta đã thấy rằng trong vũ trụ vĩ mô, điều này có nghĩa là nhiệt độ không đổi), thì áp suất khí phải tỷ lệ thuận với số lượng phân tử trong 1 cmt 3 , tức là mật độ khí. Vì vậy, định luật Boyle-Mariotte là một sự xác nhận tuyệt vời cho ý tưởng của chúng ta về cấu trúc của chất khí.
Tuy nhiên, định luật Boyle-Marriott sẽ không còn hợp lý nếu chúng ta chuyển sang áp suất cao. Và tình huống này có thể được làm rõ, như M.V. Lomonosov tin tưởng, trên cơ sở các khái niệm phân tử.
Một mặt, trong các chất khí có độ nén cao, kích thước của bản thân các phân tử tương đương với khoảng cách giữa các phân tử. Do đó, không gian trống trong đó các phân tử chuyển động nhỏ hơn tổng thể tích của khí. Tình huống này làm tăng số lần va chạm của các phân tử lên thành, vì nó làm giảm khoảng cách mà phân tử phải bay để chạm tới thành.
Mặt khác, trong chất khí bị nén mạnh và do đó đặc hơn, các phân tử bị thu hút bởi các phân tử khác nhiều hơn. hầu hết thời gian hơn các phân tử trong khí loãng. Ngược lại, điều này làm giảm số lượng tác động của các phân tử lên tường, vì khi có lực hút với các phân tử khác, các phân tử khí sẽ di chuyển về phía tường với tốc độ thấp hơn so với khi không có lực hút. Không có quá nhiều áp lực. trường hợp thứ hai quan trọng hơn và PV của sản phẩm giảm nhẹ. Ở áp suất rất cao, trường hợp thứ nhất đóng vai trò quan trọng và sản phẩm PV tăng lên.
Vì vậy, bản thân định luật Boyle-Mariotte và những sai lệch so với nó đã xác nhận lý thuyết phân tử.
Sự thay đổi thể tích khí khi thay đổi nhiệt độ
Chúng ta đã nghiên cứu áp suất của một khối khí nhất định phụ thuộc vào nhiệt độ như thế nào nếu thể tích không đổi và thể tích , bị khí chiếm giữ nếu nhiệt độ không đổi. Bây giờ chúng ta hãy xem một chất khí hoạt động như thế nào nếu nhiệt độ và thể tích của nó thay đổi, nhưng áp suất không đổi.
Nếu chúng ta biết nhiệt độ của không khí trong bình thay đổi như thế nào trong thí nghiệm của mình và đo chính xác thể tích của khí thay đổi như thế nào, thì chúng ta có thể nghiên cứu hiện tượng này từ góc độ định lượng. Rõ ràng, để làm được điều này, cần phải bọc bình trong một vỏ, chú ý sao cho tất cả các bộ phận của thiết bị có cùng nhiệt độ, đo chính xác thể tích của khối khí bị bẫy, sau đó thay đổi nhiệt độ này và đo độ tăng của nó. khối lượng của khí.
Định luật Gay-Lussac.
Một nghiên cứu định lượng về sự phụ thuộc của thể tích khí vào nhiệt độ ở áp suất không đổi được thực hiện bởi nhà vật lý và hóa học người Pháp Gay-Lussac (1778-1850) vào năm 1802.
Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng sự tăng thể tích khí tỷ lệ thuận với sự tăng nhiệt độ. Do đó, sự giãn nở nhiệt của chất khí, cũng như đối với các vật thể khác, có thể được đặc trưng bằng hệ số giãn nở thể tích b. Hoá ra là đối với chất khí định luật này được tuân thủ tốt hơn nhiều so với chất rắn và chất lỏng, do đó hệ số giãn nở thể tích của khí là một giá trị gần như không đổi ngay cả khi Nhiệt độ tăng rất đáng kể, trong khi đối với chất lỏng và chất rắn Cái này; Tính nhất quán chỉ được quan sát gần đúng.
Từ đây chúng ta tìm thấy:
(4)
Các thí nghiệm của Gay-Lussac và những người khác đã cho thấy một kết quả đáng chú ý. Hóa ra hệ số giãn nở thể tích của tất cả các chất khí là như nhau (chính xác hơn là gần như nhau) và bằng = 0,00366 . Như vậy, Tại đun nóng ở áp suất không đổi thêm 1° thì thể tích của một khối lượng khí nhất định tăng thêm thể tích mà khối khí này chiếm ở 0°C (Định luật Gay - lussac ).
Có thể thấy, hệ số giãn nở của chất khí trùng với hệ số áp suất nhiệt của chúng.
Cần lưu ý rằng giãn nở nhiệt chất khí khá đáng kể nên thể tích của chất khí ở 0°C khác biệt đáng kể so với thể tích ở nhiệt độ khác, chẳng hạn như nhiệt độ phòng. Do đó, như đã đề cập, trong trường hợp chất khí không thể thay thế thể tích trong công thức (4) mà không có sai số đáng chú ý. âm lượng V. Theo đó, sẽ thuận tiện khi đưa ra công thức giãn nở của chất khí ở dạng sau. Đối với âm lượng ban đầu, chúng tôi lấy âm lượng ở nhiệt độ 0°C. Trong trường hợp này, mức tăng nhiệt độ của khí t bằng với nhiệt độ đo được trên thang độ C t . Do đó, hệ số giãn nở thể tích
Ở đâu 
(5)
Công thức (6) có thể được sử dụng để tính thể tích ở cả nhiệt độ trên O o C và ở nhiệt độ dưới 0 ° C. Trong trường hợp cuối cùng này TÔI tiêu cực. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng định luật Gay-Lussac không đúng khi chất khí bị nén quá mức hoặc nguội đến mức nó tiến tới trạng thái hóa lỏng. Trong trường hợp này, công thức (6) không thể được sử dụng.
Đồ thị biểu diễn định luật Charles và Gay-Lussac
Chúng ta sẽ vẽ nhiệt độ của khí nằm trong một thể tích không đổi dọc theo trục hoành và áp suất của nó dọc theo trục hoành. Gọi áp suất khí ở 0°C là 1 kg|cm 2 . Sử dụng định luật Charles, chúng ta có thể tính áp suất của nó ở 100 0 C, ở 200 ° C, ở 300 ° C, v.v.
Hãy vẽ dữ liệu này trên biểu đồ. Chúng ta sẽ có được một đường thẳng nghiêng. Chúng ta có thể tiếp tục biểu đồ này theo hướng nhiệt độ âm. Tuy nhiên, như đã chỉ ra, định luật Charles chỉ áp dụng cho những nhiệt độ không quá thấp. Do đó, việc tiếp tục biểu đồ cho đến khi giao nhau với trục x, tức là đến điểm có áp suất bằng 0, sẽ không tương ứng với. hành vi khí thật.
Nhiệt độ tuyệt đối
Dễ dàng nhận thấy rằng áp suất của một chất khí chứa trong một thể tích không đổi không tỷ lệ thuận với nhiệt độ đo trên thang độ C. Ví dụ, điều này được thấy rõ qua bảng ở chương trước. Nếu ở 100°C áp suất khí là 1,37 kg1cm 2 , thì ở 200° C nó bằng 1,73 kg/cm 2 . Nhiệt độ đo bằng nhiệt kế độ C tăng gấp đôi nhưng áp suất khí chỉ tăng 1,26 lần. Tất nhiên, không có gì đáng ngạc nhiên về điều này, vì thang đo nhiệt kế độ C được đặt tùy ý, không có bất kỳ mối liên hệ nào với các định luật giãn nở của chất khí. Tuy nhiên, có thể sử dụng các định luật về chất khí để thiết lập thang đo nhiệt độ sao cho áp suất khí ga sẽ tỉ lệ thuận với nhiệt độ,được đo trên thang đo mới này. Số 0 trong thang đo mới này được gọi là không tuyệt đối. Tên này được chọn bởi vì, như nhà vật lý người Anh Kelvin (William Thomson) (1824-1907) đã chứng minh, không vật nào có thể bị làm lạnh dưới nhiệt độ này. Theo đó, thang đo mới này được gọi là thang đo nhiệt độ tuyệt đối Do đó, độ không tuyệt đối biểu thị nhiệt độ bằng -273° C và biểu thị nhiệt độ dưới mức mà không vật thể nào có thể được làm mát trong bất kỳ trường hợp nào. Nhiệt độ được biểu thị bằng 273°+ biểu thị nhiệt độ tuyệt đối của vật thể có nhiệt độ trên thang độ C bằng. Nhiệt độ tuyệt đối thường được ký hiệu bằng chữ T. Do đó, 273 o + = . Thang đo nhiệt độ tuyệt đối thường được gọi là thang đo Kelvin và được viết T° K. Dựa trên những gì đã được nói
Kết quả thu được có thể diễn đạt bằng lời: áp suất của một khối khí nhất định được đặt trong một thể tích không đổi tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.Đây là một biểu hiện mới của định luật Charles.
Công thức (6) cũng thuận tiện để sử dụng trong trường hợp không biết áp suất ở 0°C.
Thể tích khí và nhiệt độ tuyệt đối
Từ công thức (6), bạn có thể nhận được công thức sau:
- Thể tích của một khối khí nhất định ở áp suất không đổi tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối.Đây là một cách thể hiện mới của định luật Gay-Lussac.
Sự phụ thuộc của mật độ khí vào nhiệt độ
Điều gì xảy ra với mật độ của một khối khí nhất định nếu nhiệt độ tăng và áp suất không đổi?
Hãy nhớ lại rằng mật độ bằng khối lượng của một vật thể chia cho thể tích. Vì khối lượng của khí không đổi nên khi đun nóng, mật độ của khí giảm đi nhiều lần khi thể tích tăng lên.
Như chúng ta đã biết, thể tích của một chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối nếu áp suất không đổi. Kể từ đây, Mật độ của khí ở áp suất không đổi tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tuyệt đối. Nếu và - mật độ khí ở nhiệt độ và , Cái đó có một mối quan hệ
Đạo luật thống nhất trạng thái khí
Chúng tôi đã xem xét các trường hợp khi một trong ba đại lượng đặc trưng cho trạng thái của chất khí (áp suất, nhiệt độ và thể tích) không thay đổi. Chúng ta đã thấy rằng nếu nhiệt độ không đổi thì áp suất và thể tích có liên hệ với nhau theo định luật Boyle-Mariotte; nếu thể tích không đổi thì áp suất và nhiệt độ liên hệ với nhau theo định luật Charles; Nếu áp suất không đổi thì thể tích và nhiệt độ liên hệ với nhau theo định luật Gay-Lussac. Chúng ta hãy thiết lập mối liên hệ giữa áp suất, thể tích và nhiệt độ của một khối lượng khí nhất định nếu cả ba đại lượng này đều thay đổi.
Gọi thể tích, áp suất và nhiệt độ tuyệt đối ban đầu của một khối khí nhất định bằng V 1, P 1 và T 1 cuối cùng - V 2, P 2 và T 2 - Có thể hình dung rằng quá trình chuyển từ trạng thái ban đầu sang trạng thái cuối cùng xảy ra trong hai giai đoạn. Ví dụ, trước tiên hãy thay đổi thể tích khí từ V 1 thành V 2 , và nhiệt độ T 1 không đổi. Áp suất khí thu được sẽ được ký hiệu là P avg. . Sau đó, nhiệt độ thay đổi từ T 1 thành T 2 với thể tích không đổi và áp suất thay đổi từ P trung bình thành P 2 . Hãy lập một bảng:
Định luật Boyle - Mariotte
P 1 V 1 t 1
P cp V 2 T 1
Định luật Charles
P cp V 2 T 1
Áp dụng định luật Boyle-Mariotte cho quá trình chuyển đổi đầu tiên, chúng ta viết
Áp dụng định luật Charles cho chuyển tiếp thứ hai, chúng ta có thể viết
Nhân các đẳng thức này với số hạng và giảm P cp chúng tôi nhận được:
(10)
Vì thế, tích của thể tích của một khối khí nhất định và áp suất của nó tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối của khí. Đây là định luật thống nhất của trạng thái khí hoặc phương trình trạng thái của khí.
Pháp luật Dalton
Cho đến nay chúng ta đã nói về áp suất của bất kỳ loại khí nào - oxy, hydro, v.v. Nhưng trong tự nhiên và trong công nghệ, chúng ta thường xử lý hỗn hợp nhiều loại khí. Hầu hết ví dụ quan trọngĐây là không khí, là hỗn hợp của nitơ, oxy, argon, khí cacbonic và các loại khí khác. Áp suất phụ thuộc vào cái gì? trộn-si chất khí?
Chúng ta hãy đặt một mảnh chất vào bình có tác dụng liên kết hóa học với oxy từ không khí (ví dụ như phốt pho) và nhanh chóng đóng bình bằng nút có ống. nối với đồng hồ đo áp suất thủy ngân. Sau một thời gian, toàn bộ oxy trong không khí sẽ kết hợp với phốt pho. Chúng ta sẽ thấy rằng đồng hồ đo áp suất sẽ hiển thị ít áp suất hơn trước khi loại bỏ oxy. Điều này có nghĩa là sự hiện diện của oxy trong không khí làm tăng áp suất của nó.
Một nghiên cứu chính xác về áp suất của một hỗn hợp khí được thực hiện lần đầu tiên bởi nhà hóa học người Anh John Dalton (1766-1844) vào năm 1809. Áp suất mà mỗi khí tạo thành hỗn hợp sẽ có nếu loại bỏ các khí khác khỏi thể tích bị chiếm bởi hỗn hợp được gọi là áp lực bán phần khí này. Dalton đã tìm ra điều đó áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của chúng(định luật Dalton). Lưu ý rằng định luật Dalton không áp dụng được cho các khí có độ nén cao, giống như định luật Boyle-Mariotte.
Tôi sẽ kể cho bạn thêm một chút về cách diễn giải định luật Dalton theo quan điểm của lý thuyết phân tử.
mật độ khí
Mật độ của khí là một trong những đặc tính quan trọng nhất của nó. Khi nói về mật độ của một chất khí, chúng ta thường muốn nói đến mật độ của nó trong điều kiện bình thường(tức là ở nhiệt độ 0°C và áp suất 760 mm Hg Nghệ thuật.). Ngoài ra, họ thường sử dụng mật độ tương đối khí, có nghĩa là tỷ lệ giữa mật độ của một loại khí nhất định với mật độ của không khí trong cùng điều kiện. Dễ dàng nhận thấy rằng mật độ tương đối của chất khí không phụ thuộc vào điều kiện nơi nó tồn tại, vì theo các định luật về trạng thái chất khí, thể tích của tất cả các chất khí thay đổi như nhau khi thay đổi áp suất và nhiệt độ.
Mật độ của một số chất khí
|
Mật độ ở điều kiện bình thường ở g/l hoặc trong kg/m 3 |
Liên quan đến mật độ không khí |
Liên quan đến mật độ hydro |
Trọng lượng phân tử hoặc nguyên tử |
|
|
0,0899 1,25 1,43 1,977 0,179 |
0,0695 0,967 1.11 1,53 0,139 |
29 (trung bình) |
||
|
Hydro (H2) |
||||
|
Nitơ (N2) |
||||
|
Ôxi (O2) |
||||
|
Cacbon dioxit (CO 2 ) |
||||
|
Heli(Anh ấy) |
Việc xác định mật độ của một chất khí có thể được thực hiện như sau. Chúng ta hãy cân bình có vòi hai lần: một lần bằng cách bơm càng nhiều không khí ra khỏi bình càng tốt, và lần khác bằng cách đổ đầy khí thử vào bình đến áp suất cần biết. Chia chênh lệch trọng lượng cho thể tích của bình, phải được xác định trước, chúng ta tìm được mật độ của khí trong các điều kiện này. Khi đó, sử dụng phương trình trạng thái của chất khí, chúng ta có thể dễ dàng tìm được mật độ khí tại điều kiện bình thườngđ. Thật vậy, ta đặt công thức (10) P 2 == P n, V 2 = V n, T 2 = T n và nhân tử số và mẫu số
Công thức tính khối lượng khí m, ta có:
Do đó, có tính đến những gì chúng tôi tìm thấy:
Kết quả đo mật độ của một số loại khí được cho ở bảng trên.
Hai cột cuối cùng biểu thị tỷ lệ giữa mật độ của khí và trọng lượng phân tử của nó (trong trường hợp helium, trọng lượng nguyên tử).
định luật Avogadro
So sánh các con số ở cột áp chót của bảng với khối lượng phân tử của các chất khí đang xét, dễ dàng nhận thấy rằng mật độ của các chất khí trong cùng điều kiện tỷ lệ thuận với khối lượng phân tử của chúng. Một kết luận rất có ý nghĩa rút ra từ thực tế này. Vì trọng lượng phân tử có liên quan đến khối lượng của phân tử nên
, trong đó d là mật độ của khí và m là khối lượng phân tử của chúng.
khối lượng phân tử của chúng. Mặt khác, khối lượng của các khí M1 và M2 , kèm theo khối lượng bằng nhau V, liên quan đến mật độ của chúng:
chỉ định số lượng phân tử của khí thứ nhất và thứ hai có trong thể tích V, chữ N 1 và N 2, chúng ta có thể viết được Tổng khối lượng của một chất khí bằng khối lượng của một trong các phân tử của nó nhân với số lượng phân tử: M 1 =t 1 N 1 Và M 2 =t 2 N 2 Đó là lý do tại sao
So sánh kết quả này với công thức , chúng ta sẽ tìm thấy
rằng N 1 = N 2. Vì thế , ở cùng áp suất và nhiệt độ, những thể tích bằng nhau của các loại khí khác nhau chứa cùng số phân tử.
Định luật này được phát hiện bởi nhà hóa học người Ý Amedeo Avogadro (1776-1856) dựa trên nghiên cứu hóa học. Nó dùng để chỉ các loại khí có độ nén không cao (ví dụ, các loại khí dưới áp suất khí quyển). Trong trường hợp khí nén cao, nó không thể được coi là hợp lệ.
Định luật Avogadro có nghĩa là áp suất của chất khí ở một nhiệt độ nhất định chỉ phụ thuộc vào số lượng phân tử trên một đơn vị thể tích khí, nhưng không phụ thuộc vào việc phân tử đó nặng hay nhẹ. Hiểu được điều này thì dễ dàng hiểu được bản chất của định luật Dalton. Theo định luật Boyle-Mariotte, nếu chúng ta tăng mật độ của một chất khí, nghĩa là chúng ta thêm một số phân tử nhất định của chất khí này vào một thể tích nhất định, thì áp suất của chất khí đó sẽ tăng lên. Nhưng theo định luật Avogadro, sẽ đạt được mức tăng áp suất tương tự nếu thay vì thêm các phân tử của khí đầu tiên, chúng ta thêm cùng số phân tử của khí khác. Đây chính xác là định luật Dalton, phát biểu rằng bạn có thể tăng áp suất của một chất khí bằng cách thêm các phân tử của chất khí khác vào cùng một thể tích, và nếu số lượng phân tử được thêm vào giống như trong trường hợp đầu tiên thì mức tăng tương tự sẽ thu được áp suất. Rõ ràng định luật Dalton là hệ quả trực tiếp của định luật Avogadro.
Phân tử gram. Số avogadro.
Con số biểu thị tỷ số khối lượng của hai phân tử cũng biểu thị tỷ số khối lượng của hai phần chất chứa cùng số phân tử. Do đó, 2 g hydro (khối lượng phân tử của Ha là 2), 32 G oxy (khối lượng phân tử Od là 32) và 55,8 G sắt (trọng lượng phân tử của nó trùng với trọng lượng nguyên tử, bằng 55,8), v.v... chứa cùng số lượng phân tử.
Một lượng chất có số gam bằng khối lượng phân tử của nó được gọi là phân tử gram hoặc chúng tôi cầu nguyện.
Từ đó suy ra số mol của các chất khác nhau chứa cùng số phân tử. Vì vậy, việc sử dụng nốt ruồi như một đơn vị đặc biệt chứa số khác nhau gam cho các chất khác nhau nhưng có cùng số phân tử.
Số phân tử có trong một mol chất đó gọi là Số Avogadro là một đại lượng vật lý quan trọng. Nhiều nghiên cứu đa dạng đã được thực hiện để xác định số Avogadro. Chúng liên quan đến chuyển động Brown, hiện tượng điện phân và một số hiện tượng khác. Những nghiên cứu này đã cho kết quả khá nhất quán. Hiện nay người ta chấp nhận rằng số Avogadro bằng
N= 6,02*10 23 mol -1 .
Vì vậy, 2 g hydro, 32 g oxy, v.v. mỗi loại chứa 6,02 * 10 23 phân tử. Để hình dung sự khổng lồ của con số này, hãy tưởng tượng một sa mạc có diện tích 1 triệu km2, được bao phủ bởi một lớp cát dày 600. m. Khi đó, nếu ứng với mỗi hạt cát có thể tích là 1 mm 3 , Cái đó Tổng số hạt cát trên sa mạc sẽ bằng số Avogadro.
Từ định luật Avogadro suy ra rằng mol các chất khí khác nhau có cùng thể tích ở những điều kiện giống nhau. Thể tích của một mol trong điều kiện bình thường có thể được tính bằng cách chia trọng lượng phân tử của khí cho mật độ của nó trong điều kiện bình thường.
Như vậy, Thể tích mol của một chất khí ở điều kiện thường bằng 22400 cm3.
Tốc độ phân tử khí
Tốc độ di chuyển của các phân tử, đặc biệt là các phân tử khí, là bao nhiêu? Câu hỏi này nảy sinh một cách tự nhiên ngay khi ý tưởng về phân tử được phát triển. Trong một thời gian dài, vận tốc của các phân tử chỉ có thể được ước tính bằng các phép tính gián tiếp và chỉ gần đây người ta mới phát triển các phương pháp để xác định trực tiếp vận tốc của các phân tử khí.
Trước hết, chúng ta hãy làm rõ ý nghĩa của tốc độ của các phân tử. Chúng ta hãy nhớ lại rằng do va chạm không ngừng, tốc độ của từng phân tử luôn thay đổi: phân tử chuyển động lúc nhanh, lúc chậm và đôi khi tốc độ của phân tử mang nhiều giá trị khác nhau. Mặt khác, tại bất kỳ thời điểm nào, trong số lượng khổng lồ các phân tử tạo nên thể tích khí đang được xem xét, đều có những phân tử có vận tốc rất khác nhau. Rõ ràng, để mô tả trạng thái của chất khí chúng ta phải nói về một số tốc độ trung bình. Chúng ta có thể giả sử rằng đây là vận tốc trung bình của một trong các phân tử trong một khoảng thời gian đủ dài hoặc đây là vận tốc trung bình của tất cả các phân tử khí trong một thể tích nhất định tại một thời điểm nào đó.
Chúng ta hãy tập trung vào lý do giúp tính được tốc độ trung bình của các phân tử khí.
Áp suất khí tỷ lệ thuận Thứ Sáuv 2 , Ở đâu T - khối lượng phân tử, v- tốc độ trung bình và P - số phân tử trên một đơn vị thể tích. Một phép tính chính xác hơn dẫn đến công thức
Từ công thức (12) có thể suy ra một số hệ quả quan trọng. Chúng ta hãy viết lại công thức (12) dưới dạng này:
trong đó e là động năng trung bình của một phân tử. Chúng ta hãy biểu thị áp suất khí ở nhiệt độ T 1 và T 2 bằng các chữ cái p 1 và p 2 và động năng trung bình của các phân tử ở các nhiệt độ này e 1 và e 2 . Trong trường hợp này
So sánh mối quan hệ này với định luật Charles
Vì thế, nhiệt độ tuyệt đối của chất khí tỉ lệ thuận với nhiệt độ trung bình động năng phân tử khí. Vì động năng trung bình của các phân tử tỷ lệ với bình phương tốc độ trung bình của các phân tử, sự so sánh của chúng ta dẫn đến kết luận rằng nhiệt độ tuyệt đối của một chất khí tỷ lệ với bình phương tốc độ trung bình của các phân tử khí và rằng tốc độ của các phân tử tăng tỷ lệ thuận với căn bậc hai của nhiệt độ tuyệt đối.
Vận tốc trung bình của các phân tử của một số chất khí
Có thể thấy, vận tốc trung bình của các phân tử là rất đáng kể. Ở nhiệt độ phòng, chúng thường đạt tốc độ hàng trăm mét mỗi giây. Trong chất khí, tốc độ trung bình của các phân tử lớn hơn khoảng một lần rưỡi tốc độ âm thanh trong cùng chất khí.
Thoạt nhìn, kết quả này có vẻ rất lạ. Có vẻ như các phân tử không thể chuyển động ở tốc độ cao như vậy: xét cho cùng, sự khuếch tán ngay cả trong chất khí, và thậm chí hơn thế nữa trong chất lỏng, diễn ra tương đối rất chậm, trong mọi trường hợp đều chậm hơn nhiều so với tốc độ truyền âm thanh. Tuy nhiên, vấn đề là khi chuyển động, các phân tử rất thường xuyên va chạm với nhau và đồng thời thay đổi hướng chuyển động của chúng. Kết quả là, đầu tiên chúng di chuyển theo hướng này rồi sang hướng khác, chủ yếu tập trung xung quanh một nơi. Kết quả là, mặc dù tốc độ chuyển động cao trong khoảng thời gian giữa các va chạm, mặc dù thực tế là các phân tử không nán lại ở đâu cả, nhưng chúng vẫn di chuyển theo bất kỳ hướng cụ thể nào khá chậm.
Bảng này cũng cho thấy sự khác biệt về tốc độ của các phân tử khác nhau có liên quan đến sự khác biệt về khối lượng của chúng. Tình huống này được xác nhận bởi một số quan sát. Ví dụ, hydro thâm nhập qua các lỗ hẹp (lỗ chân lông) với tốc độ cao hơn oxy hoặc nitơ. Bạn có thể khám phá điều này từ một trải nghiệm như vậy.
Phễu thủy tinh được đậy kín bằng bình xốp hoặc bịt kín bằng giấy và hạ đầu phễu xuống nước. Nếu chúng ta đậy phễu bằng một tấm kính có chứa hydro (hoặc khí chiếu sáng) được đưa vào, chúng ta sẽ thấy mực nước ở cuối phễu sẽ giảm xuống và bong bóng sẽ bắt đầu thoát ra khỏi phễu. Làm thế nào để giải thích điều này?
Cả phân tử không khí (từ bên trong phễu dưới kính) và phân tử hydro (từ dưới kính vào phễu) đều có thể đi qua các lỗ hẹp trong bình hoặc giấy. Nhưng tốc độ của các quá trình này khác nhau. Sự khác biệt về kích thước của các phân tử không đóng vai trò quan trọng trong trường hợp này, bởi vì sự khác biệt là nhỏ, đặc biệt là so với kích thước của các lỗ chân lông: một phân tử hydro có “chiều dài” khoảng 2,3 * 10 -8 cm, và một phân tử oxy hoặc nitơ là khoảng 3 * 10 -8 cm,đường kính của các lỗ, hay còn gọi là lỗ chân lông, lớn hơn hàng nghìn lần. Tốc độ thâm nhập cao của hydro qua thành xốp được giải thích là do tốc độ chuyển động cao hơn của các phân tử của nó. Do đó, các phân tử hydro thẩm thấu nhanh hơn từ thủy tinh vào phễu. Kết quả là các phân tử tích tụ trong phễu, áp suất tăng lên và hỗn hợp khí thoát ra dưới dạng bong bóng.
Những thiết bị như vậy được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của khí mỏ trong không khí, có thể gây ra vụ nổ trong hầm mỏ.
Nhiệt dung của chất khí
Giả sử chúng ta có 1 G khí ga. Cần phải cung cấp bao nhiêu nhiệt lượng để nhiệt độ của nó tăng thêm 1°C, nói cách khác là bao nhiêu nhiệt dung riêng của khí? Theo kinh nghiệm cho thấy, câu hỏi này không thể đưa ra câu trả lời rõ ràng. Câu trả lời phụ thuộc vào các điều kiện mà khí được làm nóng. Nếu thể tích của nó không thay đổi thì cần một lượng nhiệt nhất định để làm nóng chất khí; Đồng thời, áp suất khí cũng tăng lên. Nếu quá trình gia nhiệt được thực hiện theo cách mà áp suất của nó không thay đổi thì sẽ cần một lượng nhiệt khác, lớn hơn so với trường hợp đầu tiên; điều này sẽ làm tăng thể tích khí. Cuối cùng, các trường hợp khác cũng có thể xảy ra khi cả thể tích và áp suất đều thay đổi trong quá trình gia nhiệt; trong trường hợp này, sẽ cần một lượng nhiệt, tùy thuộc vào mức độ xảy ra những thay đổi này. Theo những gì đã nói, khí đốt có thể có nhiều công suất nhiệt cụ thể khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện gia nhiệt. Hai trong số tất cả các công suất nhiệt cụ thể này thường được phân biệt: nhiệt dung riêng ở thể tích không đổi (C v ) Và nhiệt dung riêngở áp suất không đổi (C P ).
Để xác định Cv, cần đốt nóng khí đặt trong bình kín. Có thể bỏ qua sự giãn nở của bình trong quá trình gia nhiệt. Khi xác định Cp cần đốt nóng lượng khí đặt trong một xi lanh đóng kín bằng pít-tông, tải trọng không đổi.
Nhiệt dung ở áp suất không đổi C p lớn hơn nhiệt dung ở thể tích không đổi C v . Thật vậy, khi đun nóng 1 G của khí thêm 1° ở một thể tích không đổi, nhiệt lượng cung cấp chỉ làm tăng nội năng của khí. Để làm nóng cùng một khối lượng khí thêm 1° ở áp suất không đổi, cần phải truyền nhiệt cho nó, do đó không chỉ nội năng của khí sẽ tăng mà còn thực hiện công liên quan đến sự giãn nở của khí. khí ga. Để thu được C p, để đạt được giá trị C v cần phải bổ sung thêm một lượng nhiệt tương đương với công thực hiện trong quá trình giãn nở của chất khí.
Tóm tắt về chủ đề:
Mật độ không khí
Kế hoạch:
- Giới thiệu
- 1
Các mối quan hệ trong mô hình khí lý tưởng
- 1.1 Nhiệt độ, áp suất và mật độ
- 1.2 Ảnh hưởng của độ ẩm không khí
- 1.3 Ảnh hưởng của độ cao trong tầng đối lưu
Ghi chú
Giới thiệu
Mật độ không khí- khối lượng khí trong khí quyển Trái đất trên một đơn vị thể tích hoặc trọng lượng riêng của không khí trong điều kiện tự nhiên. Kích cỡ mật độ không khí là một hàm của chiều cao của phép đo được thực hiện, nhiệt độ và độ ẩm của nó. Thường xuyên kích thước tiêu chuẩn giá trị được coi là 1,225 kg ⁄ m 3 , tương ứng với mật độ không khí khô ở 15°C ở mực nước biển.
1. Các mối quan hệ trong mô hình khí lý tưởng
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1.1. Nhiệt độ, áp suất và mật độ
Mật độ của không khí khô có thể được tính bằng phương trình Clapeyron cho khí lý tưởng ở nhiệt độ nhất định. và áp lực:
Đây ρ - mật độ không khí, P- hoàn toàn bị áp lực, R- hằng số khí riêng cho không khí khô (287,058 J ⁄ (kg K)), T- nhiệt độ tuyệt đối ở Kelvin. Do đó, bằng cách thay thế, chúng tôi nhận được:
- ở khí quyển tiêu chuẩn Liên minh quốc tế hóa học lý thuyết và ứng dụng (nhiệt độ 0°C, áp suất 100 kPa, độ ẩm bằng 0) mật độ không khí 1,2754 kg ⁄ m³;
- ở 20 °C, 101,325 kPa và không khí khô, mật độ của khí quyển là 1,2041 kg ⁄ m³.
Bảng dưới đây thể hiện các thông số không khí khác nhau, được tính toán dựa trên các công thức cơ bản tương ứng, tùy thuộc vào nhiệt độ (áp suất được lấy là 101,325 kPa)
1.2. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí
Độ ẩm đề cập đến sự hiện diện của hơi nước trong không khí, áp lực bán phần không vượt quá áp lực bão hòa hơi nướcđối với điều kiện khí quyển nhất định. Việc bổ sung hơi nước vào không khí dẫn đến giảm mật độ của nó, điều này được giải thích là do khối lượng phân tử nước (18 g ⁄ mol) so với khối lượng mol của không khí khô (29 g ⁄ mol). Không khí ẩm có thể được coi là hỗn hợp các loại khí lý tưởng, sự kết hợp mật độ của từng loại cho phép chúng ta thu được giá trị cần thiết cho hỗn hợp của chúng. Cách giải thích này cho phép xác định giá trị mật độ với mức sai số nhỏ hơn 0,2% trong phạm vi nhiệt độ từ −10 °C đến 50 °C và có thể được biểu thị như sau:
mật độ không khí ẩm ở đâu (kg ⁄ m³); P d- áp suất riêng phần của không khí khô (Pa); R d- hằng số khí phổ quát đối với không khí khô (287,058 J ⁄ (kg K)); T- nhiệt độ (K); P v- áp suất hơi nước (Pa) và R v- hằng số phổ quát của hơi nước (461,495 J ⁄ (kg K)). Áp suất hơi nước có thể được xác định từ độ ẩm tương đối:
Ở đâu P v- áp suất hơi nước; φ - độ ẩm tương đối và P sat là áp suất riêng phần của hơi bão hòa, áp suất riêng phần có thể được biểu diễn dưới dạng biểu thức đơn giản hóa sau:
cho kết quả tính bằng milibar. Áp suất không khí khô P dđược xác định bởi một sự khác biệt đơn giản:
Ở đâu P biểu thị áp suất tuyệt đối của hệ thống đang được xem xét.
1.3. Ảnh hưởng của độ cao trong tầng đối lưu
Sự phụ thuộc của áp suất, nhiệt độ và mật độ không khí vào độ cao so với khí quyển tiêu chuẩn ( P 0 = 101325 Pa, T0=288,15 K, ρ 0 =1,225 kg/m³).
Để tính mật độ không khí ở một độ cao nhất định trong tầng đối lưu có thể được sử dụng thông số sau(trong các thông số khí quyển, giá trị của khí quyển tiêu chuẩn được chỉ định):
- tiêu chuẩn Áp suất khí quyểnở mực nước biển - P 0 = 101325 Pa;
- nhiệt độ tiêu chuẩn ở mực nước biển - T0= 288,15K;
- sự tăng tốc rơi tự do trên bề mặt Trái đất - g= 9,80665 m ⁄ giây 2 (đối với những phép tính này, nó được coi là giá trị không phụ thuộc vào độ cao);
- tốc độ giảm nhiệt độ (tiếng Anh) Tiếng Nga. với độ cao, trong tầng đối lưu - L= 0,0065 K ⁄ m;
- hằng số khí phổ quát - R= 8,31447 J ⁄ (Mol K);
- khối lượng mol của không khí khô - M= 0,0289644 kg ⁄ Mol.
Đối với tầng đối lưu (tức là vùng nhiệt độ giảm tuyến tính - đây là đặc tính duy nhất của tầng đối lưu được sử dụng ở đây) nhiệt độ ở độ cao h trên mực nước biển có thể được tính theo công thức:
Áp suất ở độ cao h:
Khi đó mật độ có thể được tính bằng cách thay nhiệt độ T và áp suất P tương ứng với độ cao h cho trước vào công thức:
Ba công thức này (sự phụ thuộc của nhiệt độ, áp suất và mật độ vào chiều cao) được sử dụng để xây dựng các biểu đồ hiển thị bên phải. Các biểu đồ được chuẩn hóa - chúng hiển thị hành vi chung của các tham số. Các giá trị “0” để tính toán chính xác phải được thay thế mỗi lần theo số đọc của các dụng cụ tương ứng (nhiệt kế và phong vũ biểu) trên khoảnh khắc nàyở mực nước biển.
Các phương trình vi phân dẫn xuất (1.2, 1.4) chứa các tham số đặc trưng cho chất lỏng hoặc chất khí: mật độ r , độ nhớt tôi , cũng như các thông số của môi trường xốp - hệ số xốp tôi và tính thấm k . Để tính toán thêm, cần biết sự phụ thuộc của các hệ số này vào áp suất.
Mật độ của chất lỏng giọt. Với quá trình lọc ổn định của chất lỏng dạng giọt, mật độ của nó có thể được coi là không phụ thuộc vào áp suất, nghĩa là chất lỏng có thể được coi là không thể nén được: r = const .
Trong các quá trình không ổn định, cần tính đến khả năng nén của chất lỏng, đặc trưng hệ số nén thể tích của chất lỏng b . Hệ số này thường được coi là không đổi:
Đã tích hợp đẳng thức cuối cùng từ giá trị ban đầuáp lực p 0 và mật độ r 0 đến giá trị hiện tại, chúng tôi nhận được:
Trong trường hợp này chúng tôi nhận được sự phụ thuộc tuyến tính mật độ so với áp suất.
Mật độ khí. Chất lỏng (khí) có thể nén được với những thay đổi nhỏ về áp suất và nhiệt độ cũng có thể được đặc trưng bởi hệ số nén thể tích và giãn nở nhiệt. Nhưng với những thay đổi lớn về áp suất và nhiệt độ, các hệ số này thay đổi trong giới hạn rộng, do đó sự phụ thuộc của mật độ của khí lý tưởng vào áp suất và nhiệt độ dựa trên Phương trình trạng thái Clayperon–Mendeleev:
Ở đâu R’ = R/M·m- hằng số khí, tùy thuộc vào thành phần của khí.
Hằng số khí của không khí và metan lần lượt bằng nhau, R΄ air = 287 J/kg K˚; R΄ metan = 520 J/kg K˚.
Phương trình cuối cùng đôi khi được viết là:
 | (1.50) |
Từ phương trình cuối cùng, rõ ràng là mật độ của khí phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ, vì vậy nếu biết mật độ của khí thì cần phải chỉ ra áp suất, nhiệt độ và thành phần của khí, điều này thật bất tiện. Do đó, các khái niệm về điều kiện vật lý bình thường và tiêu chuẩn được đưa ra.
Điều kiện bình thường tương ứng với nhiệt độ t = 0°C và áp suất p ở = 0,1013°MPa. Mật độ không khí trong điều kiện bình thường bằng ρ v.n.us = 1,29 kg/m 3.
Điều khoản tiêu chuẩn tương ứng với nhiệt độ t = 20°C và áp suất p ở = 0,1013°MPa. Mật độ không khí ở điều kiện tiêu chuẩn bằng ρ w.st.us = 1,22 kg/m 3.
Do đó, từ mật độ đã biết ở những điều kiện nhất định, có thể tính được mật độ khí ở các giá trị khác của áp suất và nhiệt độ:
Loại trừ nhiệt độ bể chứa, chúng ta thu được phương trình trạng thái khí lý tưởng mà chúng ta sẽ sử dụng trong tương lai:
Ở đâu z - hệ số đặc trưng cho mức độ sai lệch trạng thái của khí thực so với định luật khí lý tưởng (hệ số siêu nén) và phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ của một loại khí nhất định z = z(p,T) . Giá trị hệ số siêu nén z được xác định theo đồ thị của D. Brown.
Độ nhớt của dầu. Thí nghiệm cho thấy hệ số độ nhớt của dầu (ở áp suất trên áp suất bão hòa) và khí tăng khi áp suất tăng. Tại những thay đổi đáng kểáp suất (lên tới 100 MPa) sự phụ thuộc vào độ nhớt của dầu mỏ và khí tự nhiên từ áp suất có thể được lấy theo cấp số nhân:
 | (1.56) |
Đối với những thay đổi nhỏ về áp suất, sự phụ thuộc này là tuyến tính.
Đây tôi 0 – độ nhớt ở áp suất cố định p 0 ; β m - hệ số được xác định bằng thực nghiệm và phụ thuộc vào thành phần của dầu hoặc khí.
Độ xốp của hồ chứa. Để tìm hiểu hệ số xốp phụ thuộc vào áp suất như thế nào, chúng ta hãy xem xét vấn đề ứng suất tác dụng trong môi trường xốp chứa đầy chất lỏng. Khi áp suất trong chất lỏng giảm, lực tác dụng lên bộ xương tăng lên phương tiện xốp, do đó độ xốp giảm.
Do pha rắn có độ biến dạng thấp nên người ta thường tin rằng sự thay đổi độ xốp phụ thuộc tuyến tính vào sự thay đổi áp suất. Định luật chịu nén của đá được viết như sau, giới thiệu hệ số đàn hồi thể tích của thành tạo b c:
Ở đâu tôi 0 – hệ số xốp ở áp suất p 0 .
Thí nghiệm trong phòng thí nghiệmđối với các loại đá dạng hạt khác nhau và nghiên cứu thực địa cho thấy hệ số đàn hồi thể tích của hệ tầng là (0,3 - 2) 10 -10 Pa -1.
Với những thay đổi đáng kể về áp suất, sự thay đổi độ xốp được mô tả bằng phương trình:
và đối với những cái lớn - theo cấp số nhân:
 | (1.61) |
Ở các thành tạo nứt nẻ, độ thấm thay đổi tùy thuộc vào áp suất mạnh hơn ở các thành tạo xốp, do đó, ở các thành tạo nứt nẻ, có tính đến sự phụ thuộc k(p) cần thiết hơn so với dạng hạt.
Các phương trình trạng thái của chất lỏng hoặc khí bão hòa thành hệ và môi trường xốp khép kín hệ phương trình vi phân.
Theo quy luật, khi nhiệt độ giảm, mật độ tăng lên, mặc dù có những chất có mật độ hoạt động khác nhau, chẳng hạn như nước, đồng và gang. Do đó, mật độ của nước có giá trị tối đa ở 4 ° C và giảm khi nhiệt độ tăng và giảm so với con số này.
Khi trạng thái kết tụ thay đổi, mật độ của một chất thay đổi đột ngột: mật độ tăng lên trong quá trình chuyển từ trạng thái khí sang lỏng và khi chất lỏng đông đặc lại. Đúng, nước là một ngoại lệ đối với quy luật này; mật độ của nó giảm khi nó đông đặc lại.
Tỷ lệ P. của hai chất trong những điều kiện vật lý tiêu chuẩn nhất định được gọi là P. tương đối: đối với chất lỏng và chất rắn nó thường được xác định theo P. của nước cất ở 4°C, đối với chất khí - liên quan đến P. của không khí khô hoặc hydro trong điều kiện bình thường.
Đơn vị SI của P. là kg/m 3 , trong hệ đơn vị CGS g/cm3 . Trong thực tế, các đơn vị P không mang tính hệ thống cũng được sử dụng: g/l, t/m 3 và vân vân.
Tỷ trọng kế, tỷ trọng kế, tỷ trọng kế và cân thủy tĩnh được sử dụng để đo mật độ của các chất (xem cân Mora). . Tiến sĩ Các phương pháp xác định mật độ dựa trên mối liên hệ giữa mật độ với các thông số trạng thái của một chất hoặc với sự phụ thuộc của các quá trình xảy ra trong một chất vào mật độ của nó. khí lý tưởng có thể được tính bằng phương trình trạng thái r = chiều/RT, ở đâu p là áp suất khí, m là áp suất của nó khối lượng phân tử (khối lượng mol), R - hằng số khí , T - nhiệt độ tuyệt đối, hoặc được xác định, ví dụ, bằng tốc độ truyền siêu âm (ở đây b đoạn nhiệt khả năng nén khí ga).
Phạm vi giá trị P của các cơ thể tự nhiên và môi trường đặc biệt rộng. Như vậy, mật độ của môi trường giữa các vì sao không vượt quá 10 -21 kg/m 3 , P. trung bình của Mặt trời là 1410 kg/m 3 , Trái đất - 5520 kg/m 3 , kim loại P. cao nhất - 22.500 kg/m 3 (osmi), chất P. Hạt nhân nguyên tử - 10 17 kg/m 3 , cuối cùng, mật độ của các sao neutron rõ ràng có thể đạt tới 10 20 kg/m 3 .
Máy đo áp suất là một thiết bị đo cơ học, có cấu trúc bao gồm một mặt số bằng thép hoặc nhựa có lò xo ở dạng ống, được thiết kế để đo áp suất của các chất lỏng và khí.
Trong đồng hồ đo áp suất cơ học, áp suất đo được với sự trợ giúp của bộ phận cảm biến được chuyển thành chuyển động cơ học, gây ra độ lệch cơ học của mũi tên hoặc các bộ phận khác của cơ cấu đếm, ghi lại kết quả đo cũng như các thiết bị báo hiệu và ổn định áp suất trong hệ thống của đối tượng được điều khiển. Lò xo hình ống, điều hòa (ống thổi) và màng phẳng và các cơ cấu đo khác được sử dụng làm bộ phận nhạy cảm của đồng hồ đo áp suất cơ học, trong đó biến dạng đàn hồi hoặc độ đàn hồi của lò xo đặc biệt được gây ra dưới tác động của áp suất.
Theo độ chính xác, tất cả các đồng hồ đo áp suất cơ học được chia thành: kỹ thuật, điều khiển và tiêu chuẩn. Đồng hồ đo áp suất kỹ thuật có cấp chính xác 1,5; 2,5; 4; kiểm soát 0,5; 1,0; ví dụ 0,16; 0,45.
Lò xo hình ống của máy đo là các ống rỗng có hình bầu dục hoặc mặt cắt ngang khác, được uốn dọc theo hình cung tròn, dọc theo đường xoắn ốc hoặc xoắn ốc và có một hoặc nhiều vòng. Thiết kế thông thường, thường được sử dụng trong thực tế, sử dụng lò xo một vòng. Có nguyên tắc và sơ đồ khốiĐồng hồ đo áp suất có lò xo hình ống quay một vòng được thể hiện trên Hình 2.
Hình 2. Đồng hồ đo áp suất cơ và đặc điểm của nó
Đầu của lò xo áp suất 5 được hàn vào khớp 1. Đầu hàn thứ hai K được nối bản lề bằng thanh 3 với cần của khu vực bánh răng 4. Các răng của khu vực này ăn khớp với bánh răng dẫn động 6, được gắn vào trên trục 7 của mũi tên 9. Để loại bỏ dao động của mũi tên do khe hở giữa các răng. Bộ truyền bánh răng sử dụng lò xo xoắn ốc 2, các đầu của lò xo này được nối với vỏ và trục 7. Có một thang đo cố định bên dưới mũi tên.
Dưới tác động của chênh lệch áp suất bên trong và bên ngoài, lò xo hình ống thay đổi hình dạng mặt cắt ngang của nó, do đó đầu kín K của nó di chuyển tỷ lệ với chênh lệch áp suất vận hành.
Sơ đồ khối của đồng hồ đo áp suất cơ học (Hình 2,b) gồm ba khâu tuyến tính I, II, III, các đặc tính tĩnh của chúng được biểu thị bằng đồ thị và đâu là chuyển động của đầu tự do của lò xo hình ống , là ban đầu góc ở tâm lò xo hình ống. Do tính tuyến tính của tất cả các liên kết, đặc tính tĩnh tổng thể của đồng hồ đo áp suất là tuyến tính và thang đo đồng đều. Giá trị đầu vào của khâu I là áp suất đo được và giá trị đầu ra là chuyển động của đầu tự do (được hàn) của lò xo đo5. Thanh 3 với cần khu vực bánh răng 4 tạo thành liên kết thứ hai. Giá trị đầu vào của khâu II là , và giá trị đầu ra là độ lệch góc của đầu lò xo áp kế. Giá trị đầu vào của liên kết III (liên kết III là cung bánh răng được ăn khớp với bánh răng dẫn động 6) là độ lệch góc và đầu ra là độ lệch góc của con trỏ 9 so với điểm 0 của thang đo 8.
Đồng hồ đo áp suất cơ học được sử dụng để đo ở vùng chân không thấp. Trong đồng hồ đo áp suất biến dạng, phần tử đàn hồi liên quan đến đồng hồ đo bị uốn cong dưới tác động của chênh lệch giữa áp suất đo được và áp suất tham chiếu (khí quyển hoặc chân không cao). Trong đồng hồ đo áp suất công nghiệp ống thổi thuộc dòng BC-7, áp suất đo được gây ra chuyển động của ống thổi và truyền đến máy ghi. Các thiết bị này có thang đo tuyến tính lên tới 760 torr và độ chính xác 1,6%.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mật độ khí Khí, không giống như chất lỏng dạng giọt, được đặc trưng bởi khả năng nén và giá trị cao hệ số giãn nở nhiệt. Sự phụ thuộc của mật độ khí vào áp suất và nhiệt độ được thiết lập bằng phương trình trạng thái. Các tính chất đơn giản nhất là các tính chất của một loại khí hiếm đến mức có thể không tính đến sự tương tác giữa các phân tử của nó. Đây là một loại khí lý tưởng (hoàn hảo) mà phương trình Mendeleev-Clapeyron đúng:
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mật độ khí p - áp suất tuyệt đối; R - hằng số khí riêng, khác nhau đối với các loại khí khác nhau, nhưng không phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất (đối với không khí R = 287 J / (kg K); T - nhiệt độ tuyệt đối. Hoạt động của khí thực trong điều kiện xa hóa lỏng chỉ khác một chút so với hành vi của khí hoàn hảo, và đối với chúng, trong giới hạn rộng, người ta có thể sử dụng các phương trình trạng thái của khí hoàn hảo.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mật độ khí Trong tính toán kỹ thuật, mật độ khí thường được cho như bình thường điều kiện vật chất: T=20°C; p = 101325 Pa. Đối với không khí ở các điều kiện này ρ=1,2 kg/m3 Mật độ không khí ở các điều kiện khác được xác định theo công thức:
Ảnh hưởng đến mật độ khí của nhiệt độ và áp suất Theo công thức này cho quá trình đẳng nhiệt(T = const): Quá trình đoạn nhiệt là quá trình xảy ra mà không có sự trao đổi nhiệt bên ngoài. Đối với một quá trình đoạn nhiệt k=ср/сv là hằng số đoạn nhiệt của khí; cp - nhiệt dung của khí ở áp suất không đổi; cv - giống nhau, ở mức âm lượng không đổi.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mật độ khí Đặc tính quan trọng, xác định sự phụ thuộc của sự thay đổi mật độ với sự thay đổi áp suất trong dòng chuyển động, là tốc độ truyền âm thanh a. Trong môi trường đồng nhất, tốc độ truyền âm được xác định theo biểu thức: Đối với không khí a = 330 m/s; đối với carbon dioxide 261 m/s.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mật độ khí Do thể tích của chất khí phụ thuộc phần lớn vào nhiệt độ và áp suất, nên kết luận thu được từ nghiên cứu về chất lỏng dạng giọt chỉ có thể được mở rộng cho chất khí nếu, trong giới hạn của hiện tượng đang xét, những thay đổi về áp suất và nhiệt độ không đáng kể. 3 Sự chênh lệch áp suất đáng kể, gây ra sự thay đổi đáng kể về mật độ của khí, có thể phát sinh khi chúng di chuyển ở tốc độ cao. Mối quan hệ giữa tốc độ chuyển động và tốc độ âm thanh trong đó cho phép người ta đánh giá sự cần thiết phải tính đến khả năng nén trong từng trường hợp cụ thể.
Ảnh hưởng của nhiệt độ và áp suất đến mật độ khí. Nếu chất lỏng hoặc chất khí chuyển động thì chúng không sử dụng để đánh giá khả năng nén. giá trị tuyệt đối tốc độ âm thanh và số Mach bằng tỷ lệ giữa tốc độ dòng chảy và tốc độ âm thanh. M = ν/a Nếu số Mach nhỏ hơn đáng kể so với đơn vị thì chất lỏng hoặc khí nhỏ giọt có thể được coi là thực tế không thể nén được
Cân bằng khí Nếu chiều cao của cột khí thấp thì mật độ của nó có thể coi là như nhau dọc theo chiều cao của cột: khi đó áp suất do cột này tạo ra được xác định theo phương trình cơ bản của thủy tĩnh. Tại độ cao cột không khí có mật độ của nó là nhiều điểm khác nhau không còn như cũ nên phương trình thủy tĩnh không áp dụng được trong trường hợp này.
Cân bằng khí xem xét phương trình vi phânáp suất đối với trường hợp đứng yên tuyệt đối và thay giá trị mật độ vào đó, ta có. Để tích phân phương trình này cần biết định luật biến đổi nhiệt độ không khí dọc theo chiều cao của cột không khí. Không thể biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ như một hàm đơn giản của độ cao hoặc áp suất, do đó nghiệm của phương trình chỉ có thể gần đúng.
Trạng thái cân bằng khí Đối với từng lớp khí quyển, có thể giả định với độ chính xác đủ lớn rằng sự thay đổi nhiệt độ tùy thuộc vào độ cao (và đối với mỏ - theo độ sâu) xảy ra theo quy luật tuyến tính: T = T 0 + αz, trong đó T và T 0 lần lượt là nhiệt độ không khí tuyệt đối ở độ cao (độ sâu) z và trên bề mặt trái đất α là gradient nhiệt độ đặc trưng cho sự thay đổi nhiệt độ không khí khi tăng độ cao (-α) hoặc độ sâu (+α) theo 1m, K/m.
Cân bằng khí Các giá trị của hệ số α khác nhau ở các khu vực khác nhau dọc theo độ cao trong khí quyển hoặc độ sâu trong mỏ. Ngoài ra, họ còn phụ thuộc vào điều kiện khí tượng, thời gian trong năm và các yếu tố khác. Khi xác định nhiệt độ trong tầng đối lưu (tức là lên tới 11000 m), thường lấy α = 0,0065 K/m, vì mỏ sâu giá trị trung bình của α lấy bằng 0,004 0,006 K/m đối với thân khô, đối với thân ướt - 0,01.
Cân bằng khí Thay công thức biến đổi nhiệt độ vào phương trình chênh lệch áp suất và tích phân nó, ta thu được Phương trình được giải cho H, thay thế logarit tự nhiên số thập phân, α - giá trị của nó theo phương trình thông qua nhiệt độ, R - giá trị của không khí bằng 287 J/ (kg K); và thay thế g = 9,81 m/s2.
Cân bằng khí Kết quả của những hành động này là chúng ta nhận được công thức khí ápН = 29, 3(Т-Т 0)(log p/p 0)/(log. T 0/T), cũng như công thức xác định áp suất trong đó n được xác định theo công thức
CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA KHÍ TRONG ĐƯỜNG ỐNG Định luật bảo toàn năng lượng trong hình thức cơ khíĐối với một phần tử có chiều dài dx của một ống tròn có đường kính d, với điều kiện là sự thay đổi độ cao trắc địa là nhỏ so với sự thay đổi của áp suất đo áp suất, có dạng Ở đây, tổn thất năng lượng riêng do ma sát được lấy theo phương trình Darcy- Công thức Weisbach Đối với một quá trình đa hướng có chỉ số đa hướng không đổi n = const và với giả định rằng λ= const sau khi tích phân, thu được định luật phân bố áp suất dọc theo đường ống dẫn khí
CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA KHÍ TRONG ỐNG Do đó, đối với đường ống dẫn khí chính, có thể viết công thức tính lưu lượng khối
CHUYỂN ĐỘNG ỔN ĐỊNH CỦA KHÍ TRONG ỐNG M ω Khi n = 1, các công thức có giá trị cho dòng khí đẳng nhiệt ổn định. Hệ số cản thủy lực λ đối với chất khí phụ thuộc vào số Reynolds có thể được tính bằng các công thức dùng cho dòng chất lỏng.
Khi chuyển động thực khí hydrocarbonđối với quá trình đẳng nhiệt, phương trình trạng thái được sử dụng trong đó hệ số nén z của khí hydrocarbon tự nhiên được xác định từ các đường cong thực nghiệm hoặc bằng phương pháp phân tích - từ các phương trình trạng thái gần đúng.
ω
Đi học ở đâu: đánh giá các trường đại học Kursk Các trường đại học Kursk trong bảng xếp hạng quốc tế và quốc gia
Làm thế nào và khi nào chất lỏng biến thành chất khí?
Đồng phân hạt nhân "đồng phân hạt nhân" trong sách