При каком давлении считают газ

При каком давлении считают газ

Правильно ли считают газ?

Когда писал предыдущую статью о сжиженном газе, меня посетил такой вопрос: а правильно ли считают потреблённый газ бытовые счётчики? Объясню ситуацию: ведь газ у нас измеряют в кубометрах, как и воду, но реальное количество газа (количество молекул, если хотите), в отличие от воды, прямо пропорционально давлению. Возьмём воду, там турбинка считает поток прошедшей воды и высчитывает потребление. Но с водой всё просто, вода имеет фиксированную плотность, которая практически не зависит от давления в системе, температуры и т.д., поэтому ошибки если и будут, то доли процента. А вот газ, напротив, если увеличить давление в два раза, то и в кубометре молекул газа будет в два раза больше, а значит и тепла он выделит в два раза больше. Но верна и обратная ситуация — уменьши в два раза давление, и тот же объём сожжённого газа даст в два раза меньше тепла! По нормативам давление газа в домовых сетях должно быть 3 кПа, но где гарантия, что его немного не занижают, ведь большинство газовых приборов будет работать и при 1,5 кПа. Точнее, важен не сам факт пониженного давления, а учитывают ли газовые счётчики такое более низкое давление. Например, вполне официально во многих регионах страны введены температурные коэффициенты для наружных счётчиков газа. Так как при повышении температуры газы расширяются, а значит, в кубометре при том же давлении молекул газа будет меньше. Правда, тут ситуация скорее выгодная для потребителей, так как нормативы рассчитаны на 20 градусов тепла, а у нас обычно бывает холоднее, при этом в кубометре газа при том же давлении молекул больше, а значит и тепла при сгорании будет больше :). Но это работает только для наружных счётчиков, внутри помещения температура считается вполне стабильной и нормативной.

К счастью, как оказалось, не я один такой умный ;), те, кто делают счётчики, понимают, что давление газа в сети — вещь переменчивая. Поэтому основной тип бытовых счётчиков — мембранный, считает потребляемый газ с учётом возможных изменений давления. Там газ заполняет небольшие ёмкости, закрытые мембраной, и когда давление газа в ёмкости достигает определённой величины, мембрана открывается и выпускает газ дальше. Само же движение мембраны используется для вращения механизма счётчика. В итоге и давление, и объём газа в ёмкости постоянны (они зависят только от натяжения мембраны), независимо от давления на входе. В общем, камень с плеч свалился, газовики на нас не наживутся, уменьшив давление в сети. К сожалению, они как монополисты наживаются на нас кучей других способов, той же установкой счётчиков :(.

Источник

Измеряют природный газ в кубических метрах при атмосферном давлении. Много это или мало, кубометр газа?

Из школы мы знаем (не все, конечно, а кто усвоил школьную программу), что вода в восемьсот раз плотнее воздуха. То есть кубометр воды весит тонну, а кубометр воздуха — чуть больше килограмма — точнее — 1,2928 кг. Примерно такое же соотношение и между нефтью и газом, ближе, пожалуй, даже к тысяче раз. И нефть бывает разная — полегче (ближневосточная) и потяжелее; и газ тоже разный. Даже граница между ними слегка размыта. Ведь что такое нефть и газ? Смеси углеводородов. Молекула углеводорода чаще всего представляет собой цепочку из атомов углерода, к каждому из которых, как лапки сороконожки, прикреплены два атома водорода. Также по одному атому водорода прикреплено к. цепочке в качестве головы и хвоста. Цепочки покороче — газы, подлиннее — жидкости, совсем длинные — твердые-вещества, если парафин или полиэтилен считать твердыми. Цепочка из шести атомов углерода может быть замкнута в кольцо — это бензол, у него нет «головного» и «хвостового» атомов водорода, только «лапки» — по два на атом углерода.

В природном газе обычно больше всего метана. Это «цепочка», состоящая лишь из одного звена — 1 атом углерода и 4 водорода. Метан легче воздуха. А вот уже этан .(2 атома углерода и 6 водорода) тяжелее. Смесь метана и этана горит у нас на кухне.

Еще тяжелее пропан и бутан. Пропан продается в баллонах, и, так как он отличается по свойствам от метана и этана, то его нежелательно использовать в «городских» газовых плитах — будет коптить. Нужны другие форсунки в горелках.

Природные газы являются газами лишь при комнатной температуре, а если их охладить или сжать, то они становятся жидкостью. Правда, чтобы сконденсировать метан, его надо слишком сильно сжимать или охлаждать.

В нефти всегда имеется растворенный газ, и наоборот: при добыче газа обычно получают газоконденсат — что-то вроде очень легкой нефти.

Так как состав и нефти, и газа в разных месторождениях разный, то нельзя абсолютно точно сказать, в каком соотношении по теплотворной способности (а нас в первую очередь это интересует) находятся между собой нефть и газ.

Но грубо и округленно можно считать, что тысяча кубометров газа приблизительно, соответствует тонне нефти, а килограмм газа — литру жидкого топлива. Кубический километр газа (в них иногда оценивают месторождения), то есть миллиард кубических метров — это примерно миллион тонн жидкого топлива. А тысяча миллиардов кубометров, или триллион кубометров газа — это примерно миллиард тонн нефти.

Запасы нефти считают миллиардами тонн, а газа -. триллионами кубометров, и это удобно. И цены тоже близки — если нефть стоит около 150 долл. за тонну, то газ — где-то около 100 долл. за 1000 кубов — цена ниже, потому что газообразное топливо менее удобно, чем жидкое.

Источник

Давление газа — формула. Формула давления газа в сосуде

Давление является одним из трех основных термодинамических макроскопических параметров любой газовой системы. В данной статье рассмотрим формулы давления газа в приближении идеального газа и в рамках молекулярно-кинетической теории.

Идеальные газы

Каждый школьник знает, что газ является одним из четырех (включая плазму) агрегатных состояний материи, в котором частицы не имеют определенных положений и движутся хаотичным образом во всех направлениях с одинаковой вероятностью. Исходя из такого строения, газы не сохраняют ни объем, ни форму при малейшем внешнем силовом воздействии на них.

В любом газе средняя кинетическая энергия его частиц (атомов, молекул) больше, чем энергия межмолекулярного взаимодействия между ними. Кроме того, расстояния между частицами намного превышают их собственные размеры. Если молекулярными взаимодействиями и размерами частиц можно пренебречь, тогда такой газ называется идеальным.

В идеальном газе существует лишь единственный вид взаимодействия — упругие столкновения. Поскольку размер частиц пренебрежимо мал в сравнении с расстояниями между ними, то вероятность столкновений частица-частица будет низкой. Поэтому в идеальной газовой системе существуют только столкновения частиц со стенками сосуда.

Все реальные газы с хорошей точностью можно считать идеальными, если температура в них выше комнатной, и давление не сильно превышает атмосферное.

Причина возникновения давления в газах

Прежде чем записать формулы расчета давления газа, необходимо разобраться, почему оно возникает в изучаемой системе.

Согласно физическому определению, давление — это величина, равная отношению силы, которая перпендикулярно воздействует на некоторую площадку, к площади этой площадки, то есть:

Выше мы отмечали, что существует только один единственный тип взаимодействия в идеальной газовой системе — это абсолютно упругие столкновения. В результате них частицы передают количество движения Δp стенкам сосуда в течение времени соударения Δt. Для этого случая применим второй закон Ньютона:

Именно сила F приводит к появлению давления на стенки сосуда. Сама величина F от столкновения одной частицы является незначительной, однако количество частиц огромно (≈ 10 23 ), поэтому они в совокупности создают существенный эффект, который проявляется в виде наличия давления в сосуде.

Формула давления газа идеального из молекулярно-кинетической теории

При объяснении концепции идеального газа выше были озвучены основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ). Эта теория основывается на статистической механике. Развита она была во второй половине XIX века такими учеными, как Джеймс Максвелл и Людвиг Больцман, хотя ее основы заложил еще Бернулли в первой половине XVIII века.

Согласно статистике Максвелла-Больцмана, все частицы системы движутся с различными скоростями. При этом существует малая доля частиц, скорость которых практически равна нулю, и такая же доля частиц, имеющих огромные скорости. Если вычислить среднюю квадратичную скорость, то она примет некоторую величину, которая в течение времени остается постоянной. Средняя квадратичная скорость частиц однозначно определяет температуру газа.

Применяя приближения МКТ (невзаимодействующие безразмерные и хаотично перемещающиеся частицы), можно получить следующую формулу давления газа в сосуде:

Здесь N — количество частиц в системе, V — объем, v — средняя квадратичная скорость, m — масса одной частицы. Если все указанные величины определены, то, подставив их в единицах СИ в данное равенство, можно рассчитать давление газа в сосуде.

Формула давления из уравнения состояния

В середине 30-х годов XIX века французский инженер Эмиль Клапейрон, обобщая накопленный до него экспериментальный опыт по изучению поведения газов во время разных изопроцессов, получил уравнение, которое в настоящее время называется универсальным уравнением состояния идеального газа. Соответствующая формула имеет вид:

Здесь n — количество вещества в молях, T — температура по абсолютной шкале (в кельвинах). Величина R называется универсальной газовой постоянной, которая была введена в это уравнение русским химиком Д. И. Менделеевым, поэтому записанное выражение также называют законом Клапейрона-Менделеева.

Из уравнения выше легко получить формулу давления газа:

Равенство говорит о том, что давление линейно возрастает с температурой при постоянном объеме и увеличивается по гиперболе с уменьшением объема при постоянной температуре. Эти зависимости отражены в законах Гей-Люссака и Бойля-Мариотта.

Если сравнить это выражение с записанной выше формулой, которая следует из положений МКТ, то можно установить связь между кинетической энергией одной частицы или всей системы и абсолютной температурой.

Давление в газовой смеси

Отвечая на вопрос о том, как найти давление газа и формулы, мы ничего не говорили о том, является ли газ чистым, или речь идет о газовой смеси. В случае формулы для P, которая следует из уравнения Клапейрона, нет никакой связи с химическим составом газа, в случае же выражения для P из МКТ эта связь присутствует (параметр m). Поэтому при использовании последней формулы для смеси газов становится непонятным, какую массу частиц выбирать.

Когда необходимо рассчитать давление смеси идеальных газов, следует поступать одним из двух способов:

• Рассчитывать среднюю массу частиц m или, что предпочтительнее, среднее значение молярной массы M, исходя из атомных процентов каждого газа в смеси;
• Воспользоваться законом Дальтона. Он гласит, что давление в системе равно сумме парциальных давлений всех ее компонентов.

Пример задачи

Известно, что средняя скорость молекул кислорода составляет 500 м/с. Необходимо определить давление в сосуде объемом 10 литров, в котором находится 2 моль молекул.

Ответ на задачу можно получить, если воспользоваться формулой для P из МКТ:

Здесь содержатся два неудобных для выполнения расчетов параметра — это m и N. Преобразуем формулу следующим образом:

Объем сосуда в кубических метрах равен 0,01 м 3 . Молярная масса молекулы кислорода M равна 0,032 кг/моль. Подставляя в формулу эти значения, а также величины скорости v и количества вещества n из условия задачи, приходим к ответу: P = 533333 Па, что соответствует давлению в 5,3 атмосферы.

Источник

Источник