Глава 2. Основные физико-химические законы и соотношения
Для измерения однородных физических величин применяют различные системы единиц. Исторически метрическая система мер развивалась по отраслевому принципу.
Согласно молекулярно-кинетической теории давление находящегося в равновесии тела обуславливается средней кинетической энергией теплового движения молекул и средним их числом в единице объема. В технике давление рассматривается как отношение нормальной составляющей силы N к площади S, на которую действует сила
Температурой называется степень нагретости тела. В системе СИ за нуль шкалы принимается температура абсолютного нуля. Абсолютная шкала температуры начинается от абсолютного нуля и градуируется в Кельвинах (К), принятых за единицу температуры в СИ. На практике чаще всего температуру измеряют по международной 100-градусной (практической) шкале в градусах Цельсия (°С).
Объем газов V измеряют в кубических метрах (м3). Вследствие того, что объем газов сильно изменяется при нагревании, охлаждении и сжатии, за его единицу принимают 1 м3 газа при нормальных условиях (температура—0С, давление —101,3 кПа).
Закон Бойля - Мариотта устанавливает зависимость между абсолютным давлением и удельным объемом ν газа при постоянной температуре:
Смесь идеальных газов, не вступающих в химические соединения, ведет себя как идеальный газ,а каждый входящий в смесь идеальный газ проявляет себя так, как если бы в ней не было других газов: распространяется по всему объему смеси и следует своему уравнению состояния.
Критические температура и давление. Газы могут быть превращены в жидкость сжатием при условии, что температура не превышает определенного для каждого газа значения.
Газовые законы справедливы только для идеального газа. В технических расчетах, связанных с реальными углеводородными газами, их применяют только в пределах давления до 0,2–,0 МПа (в зависимости от вида газа) и при температуре, превышающей 0С. При более высоком давлении или более низкой температуре либо применяют уравнения, учитывающие объем, занимаемый молекулами, и силы взаимодействия между ними, либо вводят в уравнения для идеального газа опытные поправочные коэффициенты —коэффициенты сжимаемости газа.
Чаще всего практическое использование сжиженных углеводородных газов происходит в двухфазной системе жидкость–пар (если есть свободная поверхность жидкости в замкнутом пространстве резервуара)..
При этом в общем случае происходит или конденсация пара, или испарение жидкости. В условиях равновесия нет ни конденсации, ни испарения. Давление, при котором жидкость находится в равновесном состоянии с паром, называется упругостью насыщенных паров.
Определенной температуре отвечает определенная упругость насыщенных паров, и наоборот, заданной упругости насыщенных паров отвечает определенная температура.
В табл. 2.6 приведены удельные объем и плотность жидкой и равновесной с ней паровой фазы для основных компонентов сжиженных газов (алканов).
Жидкие углеводороды обладают высоким коэффициентом объемного расширения βp, который показывает относительное изменение объема при изменении температуры на 1С.
Все углеводородные газы в реальных условиях содержат водяной пар. Его количество при заданных температуре и давлении газа строго определенно. Насыщение газов водяным паром возможно до предельного давления, равного упругости насыщенного пара при заданной температуре. Различают абсолютную и относительную влажность газов.
Насыщенные пары углеводородных газов при данных температуре и давлении находятся в точке росы. Если при постоянном давлении эти пары несколько охладить, некоторая часть их конденсируется. Изменение давления при постоянной температуре вызывает смещение равновесия фаз в ту или другую сторону, но двухфазная система всегда будет стремиться сохранить равновесие —состояние, характеризующееся насыщенностью паров.
В двухфазных системах действуют силы, образующие т.н. свободную поверхность жидкости на границе раздела с газом. Работа, затраченная на образование 1 см2 поверхности раздела фаз, называется поверхностным натяжением. Единица измерения поверхностного натяжения — ньютон на метр (Н/м).
Упругость паров отдельных компонентов увеличивается с ростом не только температуры, но и давления. Если при давлении до 1,0 МПа этот прирост невелик, то при высоких давлениях он становится ощутим, что позволяет сделать следующий вывод: упругость паров — функция не только температуры, но и давления
Распространение тепла без перемещения вещества (конвекции) и лучистого теплообмена называется теплопроводностью. Передача теплоты в неподвижной среде (жидкости, газе) происходит по закону Фурье:тепловой поток q пропорционален градиенту температуры:
Теплоемкость C — количество теплоты, необходимое для изменения температуры вещества на один градус. Единица теплоемкости в СИ — джоуль на кельвин (Дж/К).
Агрегатные переходы сопровождаются поглощением или выделением теплоты, называемой скрытой теплотой превращений (теплота испарения, теплота плавления, теплота сублимации). Скрытая теплота испарения (теплота конденсации) — количество теплоты, необходимое для испарения 1 кг или 1 кмоля жидкости при ее постоянной температуре. Скрытая теплота испарения в основном зависит от вида жидкости, температуры.
С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия составляется из кинетической энергии всех частиц (молекул, атомов), потенциальной энергии взаимодействия молекул и энергии колебательного движения атомов (т. н. нулевой энергии). Внутренняя энергия есть функция состояния, зависящая от температуры и давления, а для идеального газа — только от температуры (в этом случае потенциальной энергией взаимодействия пренебрегают).
