Давление газа в замкнутом сосуде
Добрый день наш уважаемый читатель. Получая часто вопросы от наших клиентов в 90% процентов из всех случаев, мы даем быстрые, четкие и грамотные ответы нашему собеседнику. Дело в том, что нашего богатого опыта работа отлично хватает чтобы закрыть потребности среднестатистического клиента или спикера.
Развернуто и не очень мы уже отвечали в нашем блоге людям на следующие вопросы:
Поставленная задача
Сейчас перед нами встала следующая задача вот такого содержания: есть сосуд с неизменяемым объемом жидкости внутри него. Предположим, что сосуд состоит из обыкновенного железа, например, возьмем простой накопительный бойлер (V = 50 литров). Начальное давление в системе 2 атмосферы, начальная температура воды Т1 = 17 градусов цельсия, конечная температура после нагрева Т2 = 57 градусов цельсия. Исходные параметры могут быть разные, но конечная задача, на которую нужно получить ответ будет следующая: какое давление будет в закрытом сосуде при нагреве воды до указанной температуры Т2, если учесть, что краны на сосуде (вход и выход) находятся в положении закрыто, и начальный объем не изменяется??? Давление можно снимать (измерять) при помощи встроенного или выносного трубного манометра. Расширительного бака нет. Все для эксперимента.
Остаемся на связи в любой момент! Компания Монтажник работает для Вас!
Закон и формула Шарля
Начав решать эту задачу, каждый может прибегнуть к такому ответу: «да ладно, это же задачка за 7 класс, тут нужно применять формулу известного физика Шарля, Вы что учебник физики не читали?». Далее следует решение:
Формула: (273+t2)/(273+t1)=коэффициент увеличения давления от исходного.
(273+57)/(273+17)=330/290=1.13.
1.13 умножаем на 2 получаем что давление будет равно 2.26 после нагрева жидкости с 17 до 57 на 40 единиц.
Ну дела, вот же решение, зачем страдать дальше? Но нет друзья, это решение конечно же хорошее – но применимо только для изохорных идеальных газов, но не в коем случае не для жидкости, представленной у нас на примере воды.
Едем дальше изучая попутно других известных святил физики, и воуля мы натыкаемся на еще одно решение.
Для расчетов берем исходные данные из чего изготовлен сосуд, у нас это железо. Коэффициент объёмного расширения железа стабильно одинаковый, берем за основу среднее значение 0,000036, а вот коэффициент объема воды изменяется в зависимости от ее нагрева. Примерно 0,00015 при 20 градусах цельсия и 0,00045 при 60 градусах цельсия. Среднее значение путем сложения из двух данных получаем 0,00030.
Чтобы посчитать объем во сколько увеличиться объем в сосуде воспользуемся формулой: 1 + коэффициент расширения железа * (t2-t1).
В цифрах будет выглядеть так: 1 + 0,000036 * (57 – 17) = 1.002;
В качестве информационной нагрузки узнаем еще на сколько бы увеличился V воды если бы она была вне сосуда: 1 + 0,0003 * (57 – 17) = 1,012. Далее все упирается на сколько же прочный Ваш сосуд и не раздует ли его при повышении давления.
Чтобы узнать процентное увеличение объема воды с воздействием на сосуд воспользуемся следующей формулой подставим все цифры: 1,012 / 1,002 * 100 – 100 = 1 %.
Обратившись к учебнику физики, мы узнаем, что при давлении каждой атмосферы объем воды уменьшается на 0,000006. Например, 50 литров, при одной атмосфере сожмется на 0,001 и будет 49.999. Зато по сравнению с газами сжимаемость жидкостей действительно ничтожна: в десятки тысяч раз меньше.
Если объём воды при 2 атм = 50 литров, то при 500 атм объём станет примерно на 1 литр меньше. (разница в двух числах 2%).
1%/2% * 500 = 250 атмосфер, то значение при котором по идее должно разорвать Ваш бак и то давление которое будет у вас при нагреве. Честно, считаем это какой-то бред и не он никак не сочетается с реальными жизненными показателями, полученными в ходе эксперимента.
Изучав дальше интернет и опираясь на наши знания всех из коллег нашего отдела было перепробовано масса различных вариантов и изучено мнений других людей, которые потом можно было бы использоваться для выявления формулы по нашей задаче:
Вода при нагревании увеличивается в объеме до 4%, т.е. 50 наших литров должны превратиться в 52 литра за счет ее расширения, но применить данную теорию в нашем вопросе нам пока не удалось. Мы даже изучили соотношение плотности льда к плотности воды и поняли объем в этом случае увеличивается на 11 процентов.
Есть мнение (алгоритм) с нашей стороны что ни одну из формул применить тут нельзя, так как в баке или бойлере представленным нами невозможно заполнить его на все 100% жидкостью, какую часть в одной жидкости все равно будет составлять воздух, который в этом случае будет работать как расширительный бак и возможно поэтому те 800 атмосфер которые получаются у разных людей нормализуются тем количеством воздуха который содержаться в сосуде.
Если Вы физик или технически подкованный человек, разбираетесь в данном вопросе и готовы разрешить наш спор и получить ответ на поставленную задачу – ждем Ваших решений под этой записью в комментариях.
Со своей стороны хотим так же сказать, что при проведении реального эксперимента и нагрева воды в бойлере с 18-20 градусов до 50, давление поднялось по манометру с 1.5 очков (бар, атмосфер) примерно и до 5 бар.
Спасибо за проявленный труд, терпение и прочтение данной статьи. Надеемся что этот вопрос решится в ближайшее время и мы найдем грамотный ответ.
Всего Вам доброго и приятного дня.
Другие полезные записи в блоге – только для Вас!
- Котел КСУВ наружного размещения. Почему он является лучшим из всех? Технические особенности, выбор большинства организаций. Котельная больше не нужна. Устанавливай прямо со зданием.
- История на “миллион”, как мы помогли ДОЛ “Лесное озеро”. Крупный DIY проект России, сделай сам!
- Тепловой пункт: какой промышленный котел выбрать?
- Наглядный ремонт КЧМ руками наших специалистов.
- ОАО “Кировский завод” банкрот. Какая судьба ожидает котлы КЧМ-5, КЧМ-5К, КЧМ-7 Гном?
- Почему в котлах КЧМ-5К не используются колосники? Техническая информация и не только.
- Все основные запасные части к котлу КЧМ, артикулы, описание и много полезной информации.
- Лемакс – лучшее соотношение цена/качество в бытовых котлах.
- 1000 колосников на складе компании МОНТАЖНИК – новый завоз.
- Что такое колосник? Расскажем все очень подробно.
- Почему котлы ИШМА покупают 90 из 100 клиентов. Лучшее соотношение цены-качества.
- Лучший конкурент котла Buderus, Valliant, Protherm – это Кентатсу (Kentatsu) – или как мы его называем один в поле ВОИН! А так же там мы ответили на вопрос, что лучше русский КЧМ или Турецкояпонский гигант?
- Полная подробная инструкция по монтажу промышленных котлов
- Посмотреть все статьи и новости
Наши отправки (отгрузки), услуги и выполненные работы:
Статьи посвященные нашим отгрузкам не только поднимают наш авторитет как считаем мы, но они направлены на увеличение доверия со стороны потенциальных клиентов. Нам нечего скрывать – мы делимся с Вами своими продажами и успехами. У нас нет скрытых продаж и ухода от налогов. Мы стараемся делать наше с Вами сотрудничество и работу максимально прозрачными. Мы хотим чтобы Вы доверяли нашей команде!
Если у Вас есть идеи о том, о том что Вы бы хотели увидеть на нашем канале. То присылайте их на нашу легкую почту: 426909@bk.ru. Если Вам понравилась статья оцените ее, поставьте палец вверх слева экрана (если Вы читаете ее с компьютера), а также подпишитесь на наш блог, Вас ждет много полезной и интересной информации.
С вами на связи была компания ООО “Монтажник” – официальный дистрибьютор нескольких заводов изготовителей по всей стране. По вопросам приобретения котлов, насосов и другого сопутствующего оборудования (запчасти, дымоходы, автоматика) можете обращаться по телефонам: 8(47354) 2-55-25; 2-69-09 или на электронную почту: 426909@bk.ru или montagnikvrn@yandex.ru.
Наш логотип
Отзывы о нашей компании:
15 лет на рынке – ни одного плохого отзыва за все время работы.
Посмотреть все отзывы.
СПАСИБО ЧТО ОСТАЕТЕСЬ С НАМИ! Рассказывайте друзьям, делитесь материалом со своими знакомыми. Нам важен каждый.
Компания которая относится к своему клиенту с ДУШОЙ!
Заказ через наш интернет магазин
Источник
Изображение взято из открытых источников
Предыдущий урок: Физика для чайников. Урок 13. Что такое температура
На прошлом уроке я обещал, что объясню, что такое 1 градус температуры через работу идеального газа. Для начала, давайте определимся, а что такое идеальный газ? В природе, конечно, идеальных газов не существует, это лишь математическая модель. Но многие реальные газы при обычных условиях (если нет экстремальных плотностей, температур и давлений) ведут себя практически как идеальный газ (с небольшими отклонениями).
И так, идеальный газ обладает следующими свойствами (допущениями):
· Потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь.
· Суммарный объем самих молекул газа пренебрежительно мал.
· Соударения между молекулами абсолютно упругие.
· Временем взаимодействия молекул между собой так же можно пренебречь.
Такой вот идеальный газ описывается формулой, которая еще и называется уравнение Клапейрона-Менделеева:
Здесь p – это давление газа, V – его объем, m – масса газа, M – это такая хитрая величина, называемая молярная масса, которая обозначает массу одного моля вещества. А моль – это 6,022•1023 молекул. Буквой T обозначена температура в градусах Кельвина, R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль•K). Физический смысл универсальной газовой постоянной состоит в том, что она равна работе(энергии), которую совершает идеальный газ при расширения, когда его нагревают на 1 градус при постоянном давлении (это называется изобарическим расширением).
Таким образом, у нас теперь есть определение, что такое 1 градус. Это 8,314 Дж энергии на каждый моль идеального газа. А что такое Джоуль? Это энергия, затраченная при работе силы в 1 Ньютон при перемещении тела на 1 метр. Подробнее смотри урок (Физика для чайников. Урок 11. Энергия. Закон сохранения энергии). Стоит, однако заметить, что в случае реального газа, а также жидкого или твёрдого вещества, это соотношение не соблюдается. Почему? Помните, в уроке (Физика для чайников. Урок 13. Что такое температура) я давал определение температуры через энтропию? Так вот, на энтропию влияет взаимодействие между атомами и молекулами. Именно поэтому теплоемкость (количество энергии, которое нужно, чтобы нагреть на 1 градус единицу вещества) газов и не газов может быть совершенно разная.
А теперь вернемся к уравнению состояния идеального газа. Что такое V (объем), думаю, понятно. Константу R и соотношение m/M мы тоже разобрали. Теперь разберем, что такое давление, если кто не знает. Давление – это отношение силы к площади, на которую давит данная сила. Давление тем больше, чем меньше площадь (а значит, действие силы). Простая иллюстрация: вы идет по снегу, и проваливаетесь. Но стоит встать на лыжи – и вы можете нормально передвигается по тому же самому снегу. Сила тяжести осталась та же самая – ваш вес почти не изменился (добавился вес лыж – но это не существенно). Так почему вы теперь не проваливаетесь? А потому, что площадь лыж больше, чем площадь ваших ступней.
Теперь некоторые следствия из уравнения Клапейрона-Менделеева:
· Если сжать газ при постоянной температуре, его давление повыситься.
· Если нагревать газ при постоянном давлении, он будет расширятся.
· Если нагревать газ при постоянном объеме (например, в замкнутом сосуде), то давление повыситься. Сосуд, кстати, если он непрочный, может разорвать.
· Если накачивать газ в некий сосуд, при этом сохраняя постоянную температуру, то давление газа на стенки сосуда так же повыситься.
Следующий урок: Физика для чайников. Урок 15. Энтропия
Источник
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:
P = F/S
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:
F*Δt = Δp
Именно сила F приводит к появлению давления на стенки сосуда. Сама величина F от столкновения одной частицы является незначительной, однако количество частиц огромно (≈ 1023), 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:
P = N*m*v2/(3*V)
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:
P*V = n*R*T
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:
P = n*R*T/V
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:
P = N*m*v2/(3*V)
Здесь содержатся два неудобных для выполнения расчетов параметра – это m и N. Преобразуем формулу следующим образом:
m = M/NA;
n = N/NA;
m*N = M*n;
P = M*n*v2/(3*V)
Объем сосуда в кубических метрах равен 0,01 м3. 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
авторы образовательного проекта отвечают на Ваши вопросы · spadilo.ru
Полное давление, под которым находится газ в сосуде, называется абсолютным. Если абсолютное давление больше атмосферного, то на газ оказывается избыточное давление. Если абсолютное давление меньше атмосферного, газ внутри сосуда разрежен.
Как объясняют давление газа на основе учения о движении молекул?
Люблю фантастику, вязание, начинающий садовод
Давление газа на стенки сосудов вызывается ударами молекул газа.
У газов нет ни формы ни постоянного объема. Они могут заполнить любой объем.
Количество молекул в каждом кубическом сантиметре увеличивается при сжатии (уменьшается при расширении) от этого число ударов о стенки сосуда увеличивается (уменьшается). Поэтому чем больший сосуд газ заполняет, тем меньше давление и наоборот.
Газ одинаково давит по всем направлениям, как пример -когда надуваешь воздушный шар, то он надувается равномерно.
Если газ находиться в маленьком объеме, то давление на стенки становится огромным, поэтому газ удобнее и безопаснее заключать в специальные прочные стальные баллоны.
Прочитать ещё 1 ответ
Разгоняется ли гелиевый воздушный шарик при взлете вверх или движется с постоянной скоростью? И как с помощью законов физики можно объяснить ваш ответ?
О том что бывает с гелиевым шаром можно прочесть, например, здесь
https://ru.wikipedia.org/wiki/Метеозонд
Или тут (это история с Олимпийским Мишкой в 1980 году)
https://rg.ru/2015/06/26/rodina-mishka.html
Если Вы хотите понять физику процесса, то можно почитать здесь
https://online.mephi.ru/courses/physics/osnovi_mehaniki/data/lecture/9/p4.html
Если совсем уж на “пальцах”, то подъёмная силой тут будет сила Архимеда. Могут быть так-же и восходящие потоки воздуха (у поверхности Земли он теплее чем на высоте).
Против “ускорения” играют сила тяжести шарика и сила сопротивления воздуха, которая для шара пропорциональна квадрату скорости. Когда подъёмная сила сравнивается с силами тяжести и сопротивления, скорость подъёма станет постоянной.
На какой-то высоте плотность атмосферы станет настолько низкой, что сила Архимеда сравняется с силой тяжести, и сила сопротивления постепенно сведёт скорость подъёма к нулю. Возможно, что на этой стадии движение шара будет некоторое время иметь характер колебательных движений вверх-вниз, но эти колебания рано или поздно (скорее всего рано) затухнут, и шар будет двигаться на одной и той, же высоте.
Дальнейшее движение шара будет зависеть от того как быстро гелий будет истекать из него сквозь оболочку.
Прочитать ещё 2 ответа
Что происходит с сжиженным газом при нормальном атмосферном давлении?
Автономная газификация и системы отопления. Лучшее предприятие России 2017 и…
Сжиженный углеводородный газ (СУГ) — это смесь пропана и бутана. СУГ может находиться в жидкой и газообразной фазе.
При нормальном давлении 1.839 кг/кв. м и температуре +20°С сжиженный газ переходит в парообразное состояние. Он не имеет цвета и запаха, поэтому в него добавляют вещество с резким запахом — одорант. Примесь помогает обнаружить утечки.
Если давление увеличить и/или понизить температуру, углеводородные газы переходят в жидкое состояние. В газгольдере СУГ хранится в жидкой фазе под давлением 5-6 атм. Для сравнения: в газовой зажигалке давление 3-4 атм.
Прочитать ещё 2 ответа
Источник