Почему при быстром расширении газ в сосуде охлаждается
Наука утверждает, да и опыт показывает, что при нагревании тела расширяются, а газ в холодильнике при расширении охлаждается, то есть получается газ расширяется при охлаждении.
Получается, что когда нагревают атомы железа, то они сильнее колеблются и, соответственно, занимают больше места, то же самое происходит и с газом, его нагревают и его объем становится больше.
А что происходит, например, с бытовым газом при его сжижении? Сначала газ сжимают, он несколько разогревается, это можно увидеть на обычном холодильнике – его задняя стенка всегда теплая. Дальше этот сжатый газ выходит через маленькое отверстие и быстро расширяется, в результате чего его температура резко падает значительно ниже, той, которая была до сжатия. Мы получили холодный газ.
Это же количество более холодного газа мы можем снова сжать и затем снова его расширить. В результате этого мы получим еще более низкую температуру. Повторяя этот цикл несколько раз, мы можем достичь такой низкой температуры, что газ превратится в жидкость. Это и происходит при сжижении метана или пропана, да и всех газов.
Вроде и противоречия никакого нет. Газ при охлаждении, в конце концов, сжался в соответствии с утверждением, что тела при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Все бы хорошо, да вот есть два таких подозрительных пункта.
Первый. Уж больно сильно нарушился коэффициент расширения газов. Если посмотрите на табличку
этого коэффициента, то увидите, что газы расширяются на каждые 100 градусов примерно в три раза. Если бы эта линейность соблюдалась, то при охлаждении газа на 200 градусов его объем должен был бы уменьшится всего в 9 раз. А пропан, который мы используем, при температуре – 42 градусов, изменяет свой объем примерно в 600 раз. А по законам физики должен был уменьшится примерено в 1,42 раза. Вот такое чудо. С другими газами дела почти такие же.
Второй пункт. Это вот чудо в расширительной камере. Объем вырос, а температура упала. Что-то мы где-то не учли. Если мы связали температуру с соударениями атомов, то может быть эти соударения зависят не только от объема, занимаемого атомами, а и от качества самих атомов и молекул? Вот этого как раз наука и не принимает во внимание. Это можно понять, только войдя в квантовый мир.
Когда газ с инжектора вырывается в расширительную камеру, то его атомы, а, соответственно, и электроны в них, получают определенное ускорение и в результате этого излучают тепловые фотоны. Фотон – это часть электрона, его тела, о чем я писал уже много раз. Электрон просто физически становится меньше по размеру и массе. И он после излучения переходит на более близкий уровень к ядру. Его скорость возрастает, а весь атом и за ним молекула уменьшаются в объеме.
Такое изменение качества атомов приводит к тому, что интенсивность соударений падает и температура понижается. Поэтому главной причиной уменьшения температуры газа является изменения самих составляющих газа, их внутреннего состояния. А объем газа имеет второстепенную роль. В каскадном сжижении природного газа одна и та же порция газа проходит много степеней изменения размеров, и температура все понижается и понижается.
Источник
Вопрос знатокам: Почему при быстром расширении газ в сосуде охлаждается?
С уважением, Кари
Лучшие ответы
Дарья Чарикова:
при быстром расширении объем газа увеличивается, следовательно, газ совершает положительную работу. Поскольку расширение быстрое, газ не успевает получить энергию извне (из теплообмена с окружающей средой) и вся работа, совершаемая газом, совершается за счет изменения внутренней энергии самого газа. Работа положительная – изменение энергии отрицательное, т. е. внутренняя энергия газа уменьшается (т. е. уменьшается температура газа) .
Все это вместе называется адиабатным расширением.
Hack Lam:
Потому что меньше плотность.
Sancho#1:
pV/T=const
Лионе Пигма:
Кол-во молекул в ед. объема уменьшается, а значит и кол-во заключенной энергии в ед объема – тоже.
А энергия с температурой как связана, помнишь?
Э=мv2/2 Это кинетическая энергия одной молекулы газа массой м.
То есть, если энергия падает, то падает и скорость движеия молекул газа.
Теперь как связана скорость с температурой газа?
Ну вот и все почти
Видео-ответ
Это видео поможет разобраться
Ответы знатоков
Сехмет:
Работает » Обьединенный газовый закон». Физика однако.
123:
При расширении газ теряет значительное количество энергии (в данном случае тепловой) .
Чтобы сжать газ до жидкого состояния, требуется затратить большое кол-во энергии (включить мощный компрессор, например) .
При расширении же вся эта затраченная энергия переходит обратно во внешнюю среду.
По такому принципу, собственно, работают все холодильники. Поэтому у них радиатор сзади горячий, а в камере – холод. Там стоит компрессор, который сжимает газ, а затем через клапан выпускает, и газ охлаждает камеру.
GT:
Ты учебник физики нашел ?
Даня Котов:
это когда пернул?
Wolf:
О ты решил всерьез? Ну знаю я одного гуру. Он всем помогает. Чего там – электроны, все еще не туда движутся?
Leonid:
Потому что газ, выходя из отверстия, совершает работу по своему собственному расширению, причём в данном случае – за счёт собственной внутренней энергии (такой процесс называется адиабатическим). А раз внутренняя энергия уменьшается – то газ охлаждается, и по дороге охлаждает всё, что попадётся по дороге.
Эффективность охлаждения зависит от теплоёмкости газа, а теплоёмкость тем больше, чем меньше молекулярный вес (максимальная теплоёмкость у водорода). Поэтому сильнее охлаждается газ с боьшим молекулярным весом.
Flying teapot:
Не при резком, а через тонкий канал и в сопло. При проходе газа через каналы (дросселировании) он может как охлаждаться так и нагреваться.
Alex:
А если баллон перевернёшь, и снег пойдёт.
Дивергент:
Любой газ охлаждается при адиабатическом расширении.
Сцуко:
Иней образуется из-за того, что при быстром расширении газ охлаждается, а из-за этого охлаждения вода, содержащаяся в воздухе конденсируется и замерзает.
Абсолютно любой газ при быстром расширении охлаждается. Точно так же любой газ при быстром сжатии нагревается. Даже обычный воздух. Даже водяной пар. Это называется адиабатическим процессом:
s ru.wikipedia /wiki/Адиабатический_процесс
Насколько сильно он охладиться при расширении завист от начального и конечного давления газа, а также (незначительно) от температуры, при которой находится сжатый газ. Все газы примерно одинаково охлаждаются при расширении.
Дросселирование. Сущность дросселирования заключается в расширении газа до более низкого давления без совершения внешней работы и без обмена теплотой с окружающей средой, что вызывает изменение температуры газа. Мерой снижения температуры газа при дросселировании является дифференциальный дроссельный эффект (эффект Джоуля – Томсона) – коэффициент Джоуля.
Понижение температуры газа происходит из-за потери части внутренней энергии газа на выполнение им работы.
При любом расширении идеальный газ должен производить следующие виды работ:
– по преодолению внутренних сил притяжения между молекулами газа;
– по преодолению внешнего сопротивления увеличению объема газа при расширении;
– внешнюю работу за счет изменения давления газа при расширении.
При дросселировании энергия газа расходуется только на первый и второй виды работы, поэтому степень охлаждения газа незначительна. Третий вид работы также производится газом, но это не влияет на понижение температуры, так как работа затрачивается на преодоление сил трения при прохождении газа через дроссель и расходуемая внутренняя тепловая энергия газа возмещается возникающей теплотой трения.
Иными являются условия при адиабатическом расширении газа в поршневом детандере или турбодетандере. В этом случае третий вид работы отдается наружу как внешняя работа расширения (перемещает поршень или вращает рабочее колесо турбины), а затрачиваемая на нее внутренняя теплота газа не возмещается поступлением извне. Поэтому при расширении с отдачей внешней работы газ охлаждается значительно сильнее, чем при дросселировании, так как его внутренняя энергия расходуется на все три вида работы.
Процесс расширения газа с отдачей внешней работы наиболее эффективен, чем процесс дросселирования.
Пример. При дросселировании сжатого воздуха с 20 до 0,6 МПа удельная холодопроизводительность составляет приблизительно 33 кДж/кг, а температура понижается всего лишь на 40-50 градусов.
В случае расширения воздуха в поршневом детандере с 20 до 0,6 МПа с начальной температурой 300° К удельная холодопроизводительность составляет 125-135 кДж/кг, а температура понижается на 150-160 градусов.
Таким образом, процесс расширения газа с отдачей внешней работы по холодопроизводительности в 3,5 – 4 раза эффективнее процесса дросселирования.
Формулы писать не буду, т. к. это даже не совсем школьная математика. =)
Советую тебе найти учебник по физике за 8-й класс и начать читать. Потом за 9-й, 10-й, 11-й и т. д. Если что-то будет непонятно, то ещё найди соответствующие учебники по математике и химии. А то так и помрёшь необразованным. =)
Источник
Страницы: [1] 2 3 След.» Все Вниз A A A A Автор Тема: Охлаждение при расширении в пустоту (Прочитано 5560 раз)0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему. На днях, заглянув в https://www.fizika.ru/fakult/index.php?mode=ja&id=6238 наткнулась на следующий текст (из заметки о сжижении воздуха): Сжатый компрессором и предварительно охлаждённый воздух поступает во внутреннюю трубку теплообменника и движется вниз. Продавливаясь через дроссель, воздух резко расширяется, совершая работу против сил притяжения своих молекул. Согласно первому закону термодинамики, работа воздуха приводит к уменьшению его внутренней энергии, поэтому он охлаждается. Этот отрывок мне не понравился. Но дело в том, что я не понимаю, почему при расширении в пустоту газ охлаждается. Например, когда звезда становится красным гигантом. Есть излучение по закону Стефана-Больцмана, площадь фотосферы увеличится, излучать станет больше, остывать тоже. Значит, за счёт излучения с большей поверхности? Или есть ещё что-то? А если расширяющийся газ- холодный? Излучать будет мало. А температура газа – это мера средней кинетической энергии его молекул. Куда она может деться? Плотность газа может уменьшиться, но скорости молекул-то останутся прежними. Конечно, более быстрые молекулы могут улететь подальше куда-нибудь, но они ведь хаотически движутся. Подозреваю, что вопрос дурацкий. Sorry. Но обсуждения с коллегами зашли в тупик. Выручайте! Записан Делайте любое дело с удовольствием – это страшно украшает жизнь!
Если мы возьмем обычный шарик с газом и порвем его в открытом космосе, то под действием теплового движения (а это примерно 2 км в секунду при комнатной температуре) молекулы разбегуться в разные стороны. Почти вся тепловая энергия перейдет в направленную кинетическую. Поскольку тепло и его передача это результат кинетического взаимодействия молекул, а температура его количественная характеристика, то о температуре разбегающегося газа можно судить по величине обмена тангенциальными скоростями при взаимодействии молекул. Учитывая конечный размер шарика, скорости молекул будут иметь таки, кроме радиальной, тангенциальную составляющую. Она то и будет обеспечивать обменные процессы по мере расширения. В связи с малостью этой составляющей, температура будет падать очень быстро. В этом процессе фактически не совершается работа против сил притяжения в отличие от случая со звездой. Для массивных тел процесс расширения требует совершения работы против потенциальной энергии гравитации. Например, молекула газа обладая у поверхности Земли скоростью комнатной температуры, потеряла бы свою скорость (без учета сопротивления воздуха) на высоте 210 км. Проверьте, я мог ошибиться. Записан .. пространство, которому, кажется, ничего не нужно, на самом деле нуждается сильно во взгляде со стороны… И.Бродский При обычных условиях межмолекулярные расстояния в газах во много раз больше размера самих молекул. В этом случае все газы, подчиняются универсальному газовому закону и ведут себя как идеальный газ (идеализированная теоретическая модель). Идеальный газ охлаждается при расширении под поршнем, отдавая ему энергию, но не охлаждается при расширении в пустоту. Но если газ очень сжать, так что размер молекул уже не будет пренебрежимо малым, свойства его изменятся. Он будет приблизительно описываться моделью Ван-дер-Ваальса. Если такой газ выпускать (пдросселировать) через узкое отверстие, температура его будет изменяться (эффект Джоуля-Томсона https://www.cult.ru/fulltext/1/001/008/026/443.htm ). Причём газ может как нагреваться, так и охлаждаться. У каждого газа есть своя точка инверсии – температура, ниже которой эффект Джоуля-Томсона меняет знак. Выше этой температуры при дросселировании газ нагревается, а ниже – охлаждается. Эффект используется при сжижении газов. Эффект проявляется также в углекислотных огнетушителях, позтому обращаться с ними надо осторожно – можно намертво отморозить пальцы. « Последнее редактирование: 08 Дек 2010 [06:11:01] от Крупин » Записан
Перейти в форму потенциальной энергии. В температуру идёт зачёт только кинетической энергии. Записан Димс. Я прекратил участие в форуме.
Полагаю, источники непоняток здесь. Мера-то она мера, да не простая. Усреднение кинетической энергии молекул (кстати, в какой системе координат? в разных системах будет разная энергия) температуру, увы, не даст. Температура неплохо определяется для установившегося, равновесного состояния, в противном случае (который мы имеем с дросселем) эммм… с определением температуры, вообще говоря, есть некоторые проблемы. Это я как практикующий газдинамик говорю. Так что, лучше по-книжному опираться на баланс энергий, вот и товарищи с этим согласны, и расчётные программы на том построены. Записан “Не так благотворна истина, как зловредна её видимость.” Ф. де Ларошфуко Большое всем спасибо! Помогли немного разрулить. Вот к чему приводит зомбирование моделью идеального газа на фоне перманентного базового уровня! Но не до конца. To Onight:С шариком всё-таки непонятно. Если он как будто растворился ( дросселя нет, направленного давления тоже), то начальные направления скоростей должны как бы сохраниться. Почему тангенциальные составляющие будут меньше радиальных? И даже если меньше, радиальные никуда не делись. И вот ещё:
Если молекулы одинаковые, удары упругие ( а они упругие?), система замкнутая (вроде бы да?), то импульсу и энергии деться некуда. Опять похоже на идеальный газ. Что-то должно происходить при столкновениях. Ну да. Они же не упругие шарики. Притяжение оболочек к ядрам при столкновениях ( тут же ещё более крутое отталкивание…). Как повлияет на скорость, непонятно. А вот со звездой понятно. Если всемирное тяготение может разогнать молекулы газа до таких скоростей, при которых начинаются ядерные реакции, то при разлёте атмосферы оно же затормозит! Позорище. Надо было догадаться. Да, получилось 211км. А для Солнца при скоростях молекул 12км/с – вообще 20км. Теперь интересно, можно ли этим же путём рассчитать радиус Солнца при превращении в красный гигант? Крупину: спасибо, ссылка хорошая. Не совсем представляю потенциальную кривую для газов. Или её не существует отдельно? Наверно, выглядит как правая часть кривой для жидкостей .Но на качественном уровне понятно. Инверсия вот только загадочна. В морозильной камере тот же эффект, что и в огнетушителе? Dims’у:
Потенциальная энергия должна возрастать при сжатии от минимума до бесконечности, а при расширении – возрастать от минимума до нуля? И нуль где-то на расстоянии Е-8м? А потом газ становится идеальным и переход кинетической в потенциальную прекращается? to Fredagar: да, конечно, для неравновесного состояния невежливо определять температуру. Но почему внутренняя энергия будет разной в разных системах отсчёта? Мы как бы наоборот привыкли ученикам объяснять… Записан Делайте любое дело с удовольствием – это страшно украшает жизнь! Записан С уважением. Олег
Потому что внутренняя она, или не внутренняя является нашим допущением. Движение молекул можно рассматривать как тепловое, а можно как поступательное. В газе, который движется, разница между этими движениями неочевидная. В частности, при истечении газа в пустоту, при определённых условиях всё (почти) тепловое движение может перейти в поступательное, соответственно температура упадёт до… куда можно, но в системе координат, связанной с движущимся газом! Поэтому, кстати, при истечении через дырку (дроссель) скорость истечения не может превысить звуковую. По сути, скорость звука в газе, это скорость теплового движения молекул. Записан “Не так благотворна истина, как зловредна её видимость.” Ф. де Ларошфуко Понятно. Газ- не твёрдое тело! Записан Делайте любое дело с удовольствием – это страшно украшает жизнь!
Вы хотите сказать, что при повышении температуры скорость звука растет? Записан .. пространство, которому, кажется, ничего не нужно, на самом деле нуждается сильно во взгляде со стороны… И.Бродский
Да, пропорционально корню квадратному из температуры. Записан Что будет происходить в таком случае?: газ растворен в жидкости, давление, скажем сотня атмосфер. За бортом – давление нормальное. Кубообразный баллон. Мгновенно исчезает одна из стенок. Газ совершает работу? Совершает .- по распылению жидкости. Газ охлаждается сам и охлаждает жидкость. Насколько? Как называется этот процесс? Адиабатический? Что еще можно увидеть? Если это вода, или керосин, то будет ли лёд? Записан
Почему Вы так считаете? Записан
Да, на этом принципе работают абсорбционные холодильные машины. Поинтересуйтесь, может быть, такой агрегат стоит у вас на кухне, а вы и не знали! Записан
Чтобы затормозиться, надо кому-то отдать энергию. В случае расширения в вакуум, кому? Записан Скорость камня, брошенного вверх, уменьшается. Куда он передаёт энергию? В потенциальную энергию гравитационного поля? Взаимодействие молекул тоже можно описать потенциалом – например, Леннард-Джонсовским. По аналогии, можно считать, что кинетическая энергия молекул переходит в потенциальную энергию электромагнитного поля, описываемого этим потенциалом. Можно промоделировать расширение газа в компьютерном эксперименте по молекулярной динамике – задать молекулы, взаимодействующие по ЛД-потенциалу, запертые в ящике. А затем ящик открыть. Молекулы разлетятся и их скорость уменьшится. Такой вот экспериментальный факт (а компьютерный эксперимент по молекулярной динамике де-факто уже приравнен к лабораторному эксперименту). « Последнее редактирование: 15 Июл 2015 [23:56:02] от it » Записан Расширение в вакуум принципиально неравновесный процесс… – температура отсутствует вообще… Записан Если у тебя есть фонтан, заткни его, дай отдохнуть и фонтану. А ещё мы любим обсуждать вкус устриц с теми кто их ел…
Но ведь молекулы продолжают взаимодействовать друг с другом в процессе расширения. Записан
Правильный ответ. Тепловая энергия переходит в направленное движение. Можно попытаться понять в полностью бесстолкновительном случае, как это описано выше. Так и в столкновительном случае, тогда стоит выделить сектор на шаре и посчитать сумму сил, В радиальном направлении (наружу) F=0, т.к. вакум, снизу же будут толкать такие же соседние сектора с общей силой F=R^2*dOmega*P (dOmega – телесный угол сектора). Вот вам и работа по рсширению и ускорению. Записан
Для идеального газа взаимодействия молекул нет, а охлаждение при расширении есть. Не получится считать. Записан Страницы: [1] 2 3 След.» Все Вверх |
Источник