لقد حددنا كيف يعتمد ضغط الغاز على درجة الحرارة إذا ظل الحجم دون تغيير. الآن دعونا نرى كيف يتغير ضغط كتلة معينة من الغاز اعتمادًا على الحجم الذي تحتله إذا ظلت درجة الحرارة دون تغيير. ومع ذلك، قبل الانتقال إلى هذه المسألة، نحتاج إلى معرفة كيفية الحفاظ على درجة حرارة الغاز ثابتة. للقيام بذلك، من الضروري دراسة ما يحدث لدرجة حرارة الغاز إذا تغير حجمه بسرعة بحيث لا يكون هناك أي تبادل حراري بين الغاز والأجسام المحيطة به.

دعونا نفعل هذه التجربة. في أنبوب سميك الجدران مصنوع من مادة شفافة (زجاج شبكي أو زجاجي)، مغلق من أحد طرفيه، نضع صوفًا قطنيًا مبللًا قليلاً بالأثير، وهذا سيخلق داخل الأنبوب خليطًا من بخار الأثير والهواء، والذي ينفجر عند تسخينه . ثم ادفع المكبس المثبت بإحكام داخل الأنبوب بسرعة (الشكل 378). سنرى انفجارًا صغيرًا يحدث داخل الأنبوب. وهذا يعني أنه عند ضغط خليط بخار الأثير والهواء، ترتفع درجة حرارة الخليط بشكل حاد. هذه الظاهرة مفهومة تماما. من خلال ضغط الغاز بقوة خارجية، ننتج شغلًا، ونتيجة لذلك يجب أن تزيد الطاقة الداخلية للغاز؛ وهذا ما حدث - سخن الغاز.

أرز. 378. من خلال دفع المكبس بسرعة داخل أنبوب زجاجي سميك الجدران، فإننا نتسبب في اشتعال الصوف القطني شديد الاشتعال داخل الأنبوب.

الآن دعونا نعطي الغاز الفرصة للتمدد والقيام بعمل ضد قوى الضغط الخارجية. يمكن القيام بذلك، على سبيل المثال، مثل هذا (الشكل 379). دع الزجاجة الكبيرة تحتوي على هواء مضغوط في درجة حرارة الغرفة. دعونا نمنح الهواء الموجود في الزجاجة الفرصة للتوسع، والخروج من ثقب صغير إلى الخارج، ونضع مقياس حرارة أو قارورة بأنبوب، كما هو موضح في الشكل، في تيار الهواء المتوسع. 384. سيظهر مقياس الحرارة درجة حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة، وسوف يتجه الانخفاض في الأنبوب المتصل بالقارورة نحو القارورة، مما سيشير أيضًا إلى انخفاض درجة حرارة الهواء في التيار. وهذا يعني أنه عندما يتمدد الغاز ويبذل شغلًا في نفس الوقت، فإنه يبرد وتنخفض طاقته الداخلية). من الواضح أن تسخين الغاز أثناء الضغط وتبريده أثناء التمدد هما تعبير عن قانون حفظ الطاقة.

أرز. 379. يُظهر مقياس الحرارة 2، الموضوع في تيار من الهواء المتمدد، درجة حرارة أقل من مقياس الحرارة 1

إذا انتقلنا إلى الصورة المصغرة، فإن ظاهرة تسخين الغاز أثناء الضغط والتبريد أثناء التمدد سوف تصبح واضحة تماما. عندما يصطدم جزيء بجدار ثابت ويرتد عنه، فإن السرعة، وبالتالي الطاقة الحركية للجزيء، تكون في المتوسط ​​هي نفسها قبل الاصطدام بالجدار. لكن إذا اصطدم الجزيء بمكبس متقدم وارتد منه، فإن سرعته وطاقته الحركية تكون أكبر مما كانت عليه قبل اصطدامه بالمكبس (تمامًا كما تزداد سرعة كرة التنس عندما تضرب في الاتجاه المعاكس بمضرب). ينقل المكبس المتقدم طاقة إضافية إلى الجزيء المنعكس منه. ولذلك فإن الطاقة الداخلية للغاز تزداد أثناء الضغط. عند الارتداد من المكبس المنسحب، تنخفض سرعة الجزيء، لأن الجزيء يعمل عن طريق دفع المكبس المنسحب. ولذلك فإن تمدد الغاز المصاحب لتراجع المكبس أو طبقات الغاز المحيطة يصاحبه شغل ويؤدي إلى انخفاض الطاقة الداخلية للغاز.

لذا فإن ضغط الغاز بقوة خارجية يؤدي إلى تسخينه، ويصاحب تمدد الغاز تبريده. تحدث هذه الظاهرة دائمًا إلى حد ما، ولكنها تكون ملحوظة بشكل خاص عندما يتم تقليل تبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة، لأن هذا التبادل يمكن أن يعوض التغيرات في درجات الحرارة بدرجة أكبر أو أقل. تسمى العمليات التي لا يوجد فيها تبادل حراري مع البيئة الخارجية بالعمليات الأدياباتيكية.

ولنعد إلى السؤال المطروح في بداية الفقرة. كيف نضمن ثبات درجة حرارة الغاز رغم التغيرات في حجمه؟ ومن الواضح أنه للقيام بذلك، من الضروري نقل الحرارة بشكل مستمر إلى الغاز من الخارج إذا كان يتمدد، وإزالة الحرارة منه بشكل مستمر، ونقلها إلى الأجسام المحيطة إذا كان الغاز مضغوطًا. على وجه الخصوص، تظل درجة حرارة الغاز ثابتة تقريبًا إذا كان تمدد الغاز أو ضغطه بطيئًا للغاية، ويحدث التبادل الحراري مع البيئة الخارجية بسرعة كبيرة. ومع التمدد البطيء، تنتقل الحرارة من الأجسام المحيطة إلى الغاز وتنخفض درجة حرارته قليلاً بحيث يمكن إهمال هذا الانخفاض. ومع الضغط البطيء، تنتقل الحرارة، على العكس من ذلك، من الغاز إلى الأجسام المحيطة، ونتيجة لذلك ترتفع درجة حرارته بشكل ضئيل فقط. العمليات التي يتم فيها الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة تسمى متساوي الحرارة.

225.1. لماذا تصبح المضخة ساخنة بشكل ملحوظ عند ضخ الهواء إلى إطار الدراجة؟

في عمليات الإنتاج التي تنطوي على استخدام الغازات (التشتت، الخلط، النقل الهوائي، التجفيف، الامتصاص، وما إلى ذلك)، تحدث حركة وضغط الغازات بسبب الطاقة التي تنقلها إليها الآلات، والتي تحمل الاسم العام ضغط. وفي الوقت نفسه، يمكن أن تصل إنتاجية محطات الضغط إلى عشرات الآلاف من الأمتار المكعبة في الساعة، ويتراوح الضغط في حدود 10 –8 –10 3 ضغط جوي، مما يؤدي إلى مجموعة واسعة من أنواع وتصميمات الآلات. يستخدم لنقل وضغط وتخلخل الغازات. تسمى الآلات المصممة لتوليد ضغوط عالية بالضواغط، وتسمى الآلات التي تعمل على إحداث فراغ مضخات فراغ.

يتم تصنيف آلات الضغط بشكل أساسي وفقًا لمعيارين: مبدأ التشغيل ودرجة الضغط. نسبة الضغطهي نسبة ضغط الغاز النهائي عند مخرج الآلة ص 2 لضغط المدخل الأولي ص 1 (أي. ص 2 /ص 1).

وفقًا لمبدأ التشغيل، تنقسم آلات الضغط إلى مكبس، وريشة (طرد مركزي ومحوري)، ودوارة، وطائرة نفاثة.

حسب درجة الضغط يتم تمييزها:

– الضواغط المستخدمة لخلق ضغوط عالية، ذات نسبة ضغط ص 2 /ص 1 > 3;

– منافيخ الغاز تستخدم لنقل الغازات ذات المقاومة العالية لشبكة أنابيب الغاز بينما 3> ص 2 /ص 1 >1,15;

– تستخدم المراوح لتحريك كميات كبيرة من الغاز أثناء ص 2 /ص 1 < 1,15;

– مضخات التفريغ التي تمتص الغاز من مساحة ذات ضغط منخفض (تحت الغلاف الجوي) وتضخه إلى مساحة ذات ضغط مرتفع (فوق الغلاف الجوي) أو الضغط الجوي.

يمكن استخدام أي آلات ضغط كمضخات فراغ. يتم إنشاء فراغات أعمق بواسطة المكبس والآلات الدوارة.

على عكس السوائل القطيرات، تعتمد الخصائص الفيزيائية للغازات وظيفيًا على درجة الحرارة والضغط؛ ترتبط عمليات حركة الغازات وضغطها بالعمليات الديناميكية الحرارية الداخلية. عند وجود اختلافات طفيفة في الضغط ودرجة الحرارة، تكون التغيرات في الخواص الفيزيائية للغازات أثناء حركتها بسرعات منخفضة وضغوط قريبة من الغلاف الجوي ضئيلة. وهذا يجعل من الممكن استخدام جميع الأحكام والقوانين الأساسية للهيدروليكا لوصفها. ومع ذلك، عند الانحراف عن الظروف العادية، خاصة عند نسب ضغط الغاز العالية، تخضع العديد من المواضع الهيدروليكية للتغييرات.

1. أساسيات الديناميكا الحرارية لعملية ضغط الغاز

إن تأثير درجة الحرارة على التغير في حجم الغاز عند ضغط ثابت، كما هو معروف، يتحدد بقانون جاي-لوساك، أي عند ص= ثابت حجم الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارته:

أين V 1 و V 2- أحجام الغاز على التوالي عند درجات الحرارة ت 1 و ت 2 معبرا عنها على مقياس كلفن.

يمكن تمثيل العلاقة بين أحجام الغاز عند درجات حرارة مختلفة بالعلاقة

, (4.1)

أين Vو V 0 - الكميات النهائية والابتدائية للغاز، م3؛ رو ر 0 – درجة حرارة الغاز النهائية والابتدائية، درجة مئوية β ر- المعامل النسبي للتمدد الحجمي، درجة. -1.

التغير في ضغط الغاز حسب درجة الحرارة:

, (4.2)

أين صو ص 0 - ضغط الغاز النهائي والأولي، Pa;β ص– معامل درجة الحرارة النسبية للضغط بالدرجات. -1.

كتلة الغاز ميبقى ثابتا عندما يتغير حجمه. إذا كانت ρ 1 و ρ 2 هي كثافة حالتين من درجات الحرارة للغاز، إذن
و
أو
، أي. كثافة الغاز عند ضغط ثابت تتناسب عكسيا مع درجة حرارته المطلقة.

وفقًا لقانون بويل ماريوت، عند نفس درجة الحرارة يكون ناتج الحجم المحدد للغاز ضدعلى قيمة ضغطه صهناك كمية ثابتة صضد= ثابت. ولذلك، في درجة حرارة ثابتة
، أ
أي أن كثافة الغاز تتناسب طرديا مع الضغط
.

مع الأخذ في الاعتبار معادلة جاي-لوساك، يمكننا الحصول على علاقة تربط بين ثلاثة عوامل للغاز: الضغط والحجم النوعي ودرجة الحرارة المطلقة:

. (4.3)

المعادلة الأخيرة تسمى معادلات كلايبيرون. بعبارات عامة:

أو
, (4.4)

أين ر- ثابت الغاز، الذي يمثل الشغل المبذول لكل وحدة كتلة من الغاز المثالي في خط متساوي الضغط ( ص= ثابت) عملية؛ عندما تتغير درجة الحرارة بمقدار 1 درجة، يكون ثابت الغاز رله البعد J/(kgdeg):

, (4.5)

أين ل ص- الشغل النوعي لتغيير الحجم الذي يؤديه 1 كجم من الغاز المثالي عند ضغط ثابت، J/kg.

وهكذا فإن المعادلة (4.4) تصف حالة الغاز المثالي. عند ضغط غاز أعلى من 10 ضغط جوي، يؤدي استخدام هذا التعبير إلى حدوث خطأ في الحسابات ( صضد≠ر.ت)، لذلك يوصى باستخدام الصيغ التي تصف بشكل أكثر دقة العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة حرارة الغاز الحقيقي. على سبيل المثال، مع معادلة فان دير فالس:

, (4.6)

أين ر= 8314/م- ثابت الغاز، J/(kg K)؛ م- الكتلة الجزيئية للغاز، كجم/كمول؛ أو الخامس -القيم الثابتة لغاز معين.

كميات أو Vيمكن حسابها باستخدام معلمات الغاز الحرجة ( تكر و صكر):

;
. (4.7)

عند ضغوط عالية القيمة أ/ت 2 (الضغط الإضافي في معادلة فان دير فالس) صغير مقارنة بالضغط صويمكن إهمالها فتتحول المعادلة (4.6) إلى معادلة حالة غاز دوبري الحقيقي:

, (4.8)

أين هي القيمة Vيعتمد فقط على نوع الغاز ولا يعتمد على درجة الحرارة والضغط.

من الناحية العملية، تُستخدم المخططات الديناميكية الحرارية في كثير من الأحيان لتحديد معلمات الغاز في حالاته المختلفة: ت–س(درجة الحرارة-الانتروبيا)، باي(الاعتماد على الضغط على المحتوى الحراري)، ص–V(الاعتماد على الضغط على الحجم).

الشكل 4.1 - تي-سرسم بياني

على الرسم البياني ت–س(الشكل 4.1) الخط أكبيمثل منحنى حدوديًا يقسم المخطط إلى مناطق منفصلة تتوافق مع حالات طورية معينة للمادة. المنطقة الواقعة على يسار المنحنى الحدودي هي الطور السائل، وعلى اليمين منطقة البخار الجاف (الغاز). في المنطقة التي يحدها المنحنى ايه في كيهومحور الإحداثي، تتعايش مرحلتان في وقت واحد - السائل والبخار. خط أكيتوافق مع التكثيف الكامل للبخار، وهنا درجة الجفاف س= 0. الخط كيلو فولتيتوافق مع التبخر الكامل ، س = 1. الحد الأقصى للمنحنى يتوافق مع النقطة الحرجة ك، حيث تكون حالات المادة الثلاث ممكنة. بالإضافة إلى المنحنى الحدودي، يوضح الرسم البياني خطوط درجات الحرارة الثابتة (تساوي الحرارة، ت= const) والانتروبيا ( س= const)، موجهة بالتوازي مع محاور الإحداثيات، خطوط متساوية ( ص= const)، خطوط المحتوى الحراري الثابت ( أنا= ثابت). يتم توجيه الأيزوبارات في منطقة البخار الرطب بنفس طريقة توجيه الأيزوبارات؛ وفي منطقة البخار شديد السخونة يغيرون اتجاههم بشكل حاد نحو الأعلى. في منطقة الطور السائل، تندمج خطوط الأيزوبار تقريبًا مع المنحنى الحدودي، نظرًا لأن السوائل غير قابلة للضغط عمليًا.

جميع معلمات الغاز على الرسم البياني تي-سيشار إلى 1 كجم من الغاز.

منذ ذلك الحين، وفقا للتعريف الديناميكي الحراري
ثم حرارة تغير حالة الغاز
. وبالتالي، فإن المساحة الموجودة أسفل المنحنى الذي يصف التغير في حالة الغاز تساوي عدديًا طاقة (حرارة) التغير في الحالة.

تسمى عملية تغيير معلمات الغاز بعملية تغيير حالته. تتميز كل حالة غازية بمعلمات ص,ضدو ت. أثناء عملية تغيير حالة الغاز، يمكن أن تتغير جميع المعلمات أو يمكن أن يظل أحدها ثابتًا. وبالتالي، تسمى العملية التي تحدث بحجم ثابت متساوي اللونعند الضغط المستمر - متساوي الضغطوعند درجة حرارة ثابتة - متحاور. عندما، في غياب التبادل الحراري بين الغاز والبيئة الخارجية (لا تتم إزالة الحرارة أو توفيرها)، تتغير جميع المعلمات الثلاثة للغاز ( ص،ضد,ت) خامسا عملية توسعها أو انكماشها , تسمى العملية ثابت الحرارة, ومتى تحدث التغييرات في معلمات الغاز مع الإمداد المستمر أو إزالة الحرارة – متعدد التوجهات.

مع تغير الضغط والحجم، اعتمادًا على طبيعة التبادل الحراري مع البيئة، يمكن أن يحدث التغير في حالة الغاز في آلات الضغط بشكل متساوي الحرارة، وثابت الحرارة، ومتعدد الاتجاهات.

في متحاوروفي هذه العملية، يتبع التغير في حالة الغاز قانون بويل-ماريوت:

الكهروضوئية =ثابت.

على الرسم البياني ص – الخامستم تصوير هذه العملية بالقطع الزائد (الشكل 4.2). عمل 1 كيلو غاز لممثلة بيانياً بالمساحة المظللة، والتي تساوي
، أي.

أو
. (4.9)

كمية الحرارة المنبعثة أثناء الضغط متساوي الحرارة لـ 1 كجم من الغاز والتي يجب إزالتها بالتبريد حتى تظل درجة حرارة الغاز ثابتة:

, (4.10)

أين ج ضدو ج صهي السعات الحرارية النوعية للغاز عند حجم وضغط ثابتين، على التوالي.

على الرسم البياني تي-سعملية الضغط متساوي الحرارة للغاز من الضغط ص 1 للضغط ص 2 يتم تمثيله بخط مستقيم أب، مرسومة بين الأيزوبار ص 1 و ص 2 (الشكل 4.3).

الشكل 4.2 - عملية ضغط الغاز متساوي الحرارة في الرسم التخطيطي	الشكل 4.3 - عملية ضغط الغاز متساوي الحرارة في الرسم التخطيطي تي-س

والحرارة المكافئة لعمل الانضغاط تتمثل في المساحة المحدودة بالإحداثيات القصوى والخط المستقيم أب، أي.

. (4.11)

الشكل 4.4 - عمليات ضغط الغاز في الرسم التخطيطي
:

أ – عملية كاظمة للحرارة.

ب – عملية متساوية الحرارة

وبما أن التعبير الخاص بتحديد الشغل المبذول في عملية الضغط متساوي الحرارة يشمل فقط الحجم والضغط، فإنه ضمن حدود تطبيق المعادلة (4.4) لا يهم أي الغاز سيتم ضغطه. بمعنى آخر، يتطلب الضغط المتساوي الحرارة لـ 1 م 3 لأي غاز عند نفس الضغوط الأولية والنهائية نفس الكمية من الطاقة الميكانيكية.

في ثابت الحرارةفي عملية ضغط الغاز، يحدث تغير في حالته نتيجة لتغير طاقته الداخلية، وبالتالي درجة الحرارة.

بشكل عام، يتم وصف معادلة العملية الأديباتية بالتعبير:

, (4.12)

أين
– مؤشر ثابت الحرارة.

بيانياً (الشكل 4.4) تظهر هذه العملية في الرسم التخطيطي ص – الخامسسيتم تصويره على أنه قطع زائد أكثر انحدارًا مما هو عليه في الشكل. 4.2 منذ ذلك الحين ك> 1.

إذا قبلنا

، الذي - التي
. (4.13)

منذ
و ر= const، يمكن التعبير عن المعادلة الناتجة بشكل مختلف:

أو
. (4.14)

من خلال التحويلات المناسبة، من الممكن الحصول على تبعيات لمعلمات الغاز الأخرى:

;
. (4.15)

وبالتالي، فإن درجة حرارة الغاز في نهاية ضغطه الأديباتي

. (4.16)

الشغل المبذول بواسطة 1 كجم من الغاز تحت ظروف عملية ثابتة الحرارة:

. (4.17)

الحرارة المنبعثة أثناء الضغط الأديباتي للغاز تعادل الشغل المبذول:

مع الأخذ في الاعتبار العلاقات (4.15)، العمل على ضغط الغاز أثناء عملية كاظمة

. (4.19)

تتميز عملية الضغط الأديباتي بالغياب التام للتبادل الحراري بين الغاز والبيئة، أي. دي كيو = 0، أ dS = dQ/T، لهذا السبب دي إس = 0.

وبالتالي، فإن عملية ضغط الغاز الأدياباتي تحدث عند إنتروبيا ثابتة ( س= ثابت). على الرسم البياني تي-سسيتم تمثيل هذه العملية بخط مستقيم أ.ب(الشكل 4.5).

الشكل 4.5 - تمثيل عمليات ضغط الغاز على الرسم التخطيطي تي-س

إذا تمت إزالة الحرارة المنبعثة أثناء عملية الضغط بكمية أقل مما هو ضروري لعملية متساوية الحرارة (وهو ما يحدث في جميع عمليات الضغط الحقيقية)، فسيكون الشغل الفعلي المنفق أكبر مما كان عليه أثناء الضغط متساوي الحرارة وأقل مما كان عليه أثناء الضغط الأديباتي:

, (4.20)

أين م- مؤشر متعدد التوجهات، ك>م> 1 (للهواء م
).

قيمة مؤشر متعدد التوجهات ميعتمد على طبيعة الغاز وظروف التبادل الحراري مع البيئة. في آلات الضغط دون تبريد، قد يكون المؤشر متعدد التوجهات أكبر من المؤشر الأديباتي ( م>ك) ، أي أن العملية في هذه الحالة تسير على طول مسار فائق الحرارة.

يتم حساب العمل المنفق على تخلخل الغازات باستخدام نفس المعادلات مثل العمل على ضغط الغازات. والفرق الوحيد هو أن ص 1 سيكون أقل من الضغط الجوي .

عملية ضغط متعدد التوجهاتضغط الغاز ص 1 حتى الضغط ص 2 في الشكل. سيتم تصوير 4.5 كخط مستقيم تكييف. كمية الحرارة المنبعثة أثناء الضغط متعدد التوجهات لـ 1 كجم من الغاز تساوي عدديًا الشغل المحدد للضغط:

درجة حرارة ضغط الغاز النهائية

. (4.22)

قوة،يعتمد إنفاق آلات الضغط على ضغط وتخلخل الغازات على أدائها وميزات تصميمها وتبادلها الحراري مع البيئة.

القوة النظرية المنفقة على ضغط الغاز
، يتم تحديده من خلال الإنتاجية والعمل المحدد للضغط:

, (4.23)

أين زو V- الإنتاجية الجماعية والحجمية للآلة، على التوالي؛
– كثافة الغاز .

لذلك، بالنسبة لعمليات الضغط المختلفة، يكون استهلاك الطاقة النظري كما يلي:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

أين – الإنتاجية الحجمية لآلة الضغط، مخفضة لظروف الشفط.

في الواقع، الطاقة المستهلكة أكبر لعدد من الأسباب، أي. الطاقة التي تستهلكها الآلة أعلى من تلك التي تنقلها إلى الغاز.

لتقييم فعالية آلات الضغط، يتم استخدام مقارنة هذه الآلة مع الآلة الأكثر اقتصادا من نفس الفئة.

تتم مقارنة الآلات المبردة بالآلات التي من شأنها ضغط الغاز بشكل متساوي الحرارة في ظل ظروف معينة. وفي هذه الحالة تسمى الكفاءة متساوية الحرارة،  من:

, (4.27)

أين ن- الطاقة الفعلية التي يستهلكها هذا الجهاز.

إذا كانت الآلات تعمل بدون تبريد، فإن ضغط الغاز فيها يحدث على طول بوليتروب، ومؤشره أعلى من مؤشر الأديباتيك ( م ك). لذلك، تتم مقارنة الطاقة المستهلكة في مثل هذه الآلات مع الطاقة التي ستنفقها الآلة أثناء ضغط الغاز الأدياباتي. نسبة هذه القوى هي الكفاءة الأديباتية:

. (4.28)

مع مراعاة الطاقة المفقودة بسبب الاحتكاك الميكانيكي في الآلة ومراعاة الكفاءة الميكانيكية. –  الفراء، القوة على عمود آلة الضغط:

أو
. (4.29)

يتم حساب قوة المحرك مع مراعاة الكفاءة. المحرك نفسه وكفاءته الانتقال:

. (4.30)

يتم أخذ قوة المحرك المثبتة بهامش (
):

. (4.31)

القيمة  الجحيم تتراوح من 0.930.97  من، اعتمادًا على درجة الضغط، لها قيمة 0.640.78؛ تتراوح الكفاءة الميكانيكية بين 0.850.95.

التغير في درجة حرارة الغاز عندما يتغير حجمه. العمليات الأديباتية والمتساوية الحرارة

لقد حددنا كيف يعتمد ضغط الغاز على درجة الحرارة إذا ظل الحجم دون تغيير. الآن دعونا نرى كيف يتغير ضغط كتلة معينة من الغاز اعتمادًا على الحجم الذي تحتله إذا ظلت درجة الحرارة دون تغيير.

للقيام بذلك، من الضروري دراسة ما يحدث لدرجة حرارة الغاز إذا تغير حجمه بسرعة بحيث لا يكون هناك أي تبادل حراري بين الغاز والأجسام المحيطة به.

الشكل 7 دعونا نفعل هذه التجربة. في أنبوب سميك الجدران مصنوع من مادة شفافة، مغلق من أحد طرفيه، نضع الصوف القطني المبلل قليلاً بالأثير، وهذا سيخلق داخل الأنبوب خليطًا من بخار الأثير والهواء، والذي ينفجر عند تسخينه. ثم ادفع بسرعة المكبس المثبت بإحكام داخل الأنبوب (الشكل 7). سنرى انفجارًا صغيرًا يحدث داخل الأنبوب. وهذا يعني أنه عند ضغط خليط من بخار الأثير والهواء، ترتفع درجة حرارة الخليط بشكل حاد. من خلال ضغط الغاز بقوة خارجية، ننتج شغلًا، ونتيجة لذلك يجب أن تزيد الطاقة الداخلية للغاز؛ وهذا ما حدث - سخن الغاز.

الآن دعونا نعطي الغاز الفرصة للتمدد والقيام بعمل ضد قوى الضغط الخارجية. دع زجاجة كبيرة تحتوي على هواء مضغوط في درجة حرارة الغرفة (الشكل 8). دعونا نمنح الهواء الموجود في الزجاجة الفرصة للتمدد، والخروج من فتحة صغيرة إلى الخارج، ونضع مقياس حرارة في مجرى الهواء المتوسع. سيظهر مقياس الحرارة درجة حرارة أقل من درجة حرارة الغرفة. وبالتالي، عندما يتمدد الغاز ويبذل شغلًا، فإنه يبرد وتنخفض طاقته الداخلية. من الواضح أن تسخين الغاز أثناء الضغط وتبريده أثناء التمدد هما تعبير عن قانون حفظ الطاقة.

إذا انتقلنا إلى الصورة المصغرة، فإن ظاهرة تسخين الغاز أثناء الضغط والتبريد، أثناء التوسع، سوف تصبح واضحة تماما. عندما يصطدم الجزيء بجدار ثابت ويرتد عنه، تزداد السرعة أ،وبالتالي، فإن الطاقة الحركية للجزيء تكون في المتوسط ​​هي نفسها التي كانت عليها قبل الاصطدام بالحائط. ولكن إذا اصطدم الجزيء بمكبس متقدم وارتد عنه، فإن سرعته وطاقته الحركية تكون أكبر مما كانت عليه قبل اصطدامه بالمكبس (تمامًا كما تزداد سرعة سيف التنس عندما يضرب المضرب في الاتجاه المعاكس). ينقل المكبس المتقدم طاقة إضافية إلى الجزيء المنعكس منه. ولذلك فإن الطاقة الداخلية للغاز تزداد أثناء الضغط. عند الارتداد من المكبس المنسحب، تنخفض سرعة الجزيء، لأن الجزيء يعمل عن طريق دفع المكبس المنسحب. ولذلك فإن تمدد الغاز المصاحب لتراجع المكبس أو طبقات الغاز المحيطة يصاحبه شغل ويؤدي إلى انخفاض الطاقة الداخلية للغاز.

لذا فإن ضغط الغاز بواسطة قوة خارجية يؤدي إلى تسخينه، ويصاحب تمدد الغاز تبريده. تحدث هذه الظاهرة دائمًا إلى حد ما، ولكنها تكون ملحوظة بشكل خاص عندما يتم تقليل تبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة، لأن هذا التبادل يمكن أن يعوض التغيرات في درجات الحرارة بدرجة أكبر أو أقل. تسمى العمليات التي لا يوجد فيها تبادل حراري مع البيئة الخارجية ثابت الحرارة.

كيف نضمن ثبات درجة حرارة الغاز رغم التغيرات في حجمه؟ ومن الواضح أنه للقيام بذلك، من الضروري نقل الحرارة بشكل مستمر إلى الغاز من الخارج إذا كان يتمدد، وإزالة الحرارة منه بشكل مستمر، ونقلها إلى الأجسام المحيطة إذا كان الغاز مضغوطًا. على وجه الخصوص، تظل درجة حرارة الغاز ثابتة تقريبًا إذا كان تمدد الغاز أو ضغطه بطيئًا للغاية، ويحدث التبادل الحراري مع البيئة الخارجية بسرعة كبيرة. ومع التمدد البطيء، تنتقل الحرارة من الأجسام المحيطة إلى الغاز وتنخفض درجة حرارته قليلاً بحيث يمكن إهمال هذا الانخفاض. ومع الضغط البطيء، تنتقل الحرارة، على العكس من ذلك، من الغاز إلى الأجسام المحيطة، ونتيجة لذلك ترتفع درجة حرارته بشكل ضئيل فقط. تسمى العمليات التي يتم فيها الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة متحاور.

قانون بويل ماريوت.كيف يرتبط الحجم والضغط ببعضهما البعض أثناء التغير متساوي الحرارة في حالة الغاز؟ تعلمنا التجارب اليومية أنه عندما يقل حجم كتلة معينة من الغاز، يزداد ضغطها. ولكن كيف بالضبط يزداد ضغط الغاز مع انخفاض حجمه إذا ظلت درجة حرارة الغاز دون تغيير؟

تم تقديم الإجابة على هذا السؤال من خلال البحث الذي أجراه في القرن السابع عشر الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي روبرت بويل (1627 - 1691) والفيزيائي الفرنسي إدمي ماريوت (1620 - 1684).

يمكن تكرار التجارب التي تثبت العلاقة بين حجم الغاز وضغطه باستخدام جهاز مشابه لمقياس حرارة الغاز الموضح في الشكل. 5. على حامل رأسي مجهز بأقسام، توجد أنابيب زجاجية A وB، متصلة بواسطة أنبوب مطاطي C. يُسكب الزئبق في الأنابيب. الأنبوب B مفتوح من الأعلى، والأنبوب A به محبس. دعونا نغلق هذا الصمام، وبالتالي نحبس كتلة معينة من الهواء في الأنبوب A. وطالما أننا لا نحرك الأنابيب، فإن مستوى الزئبق فيها هو نفسه.

وهذا يعني أن ضغط الهواء المحبوس في الأنبوب A هو نفس ضغط الهواء الخارجي. دعونا الآن نرفع الأنبوب B ببطء. سنرى أن الزئبق في كلا الأنبوبين سيرتفع، ولكن ليس بالتساوي: في الأنبوب B، سيكون مستوى الزئبق دائمًا أعلى منه في الأنبوب A. إذا خفضنا الأنبوب B، فإن مستوى الزئبق في الأنبوب B سيكون أعلى دائمًا يتناقص كلا المرفقين، ولكن في الأنبوب B أكثر منه في الأنبوب A.

يمكن حساب حجم الهواء المحبوس في الأنبوب (أ) عن طريق تقسيمات الأنبوب (أ). ويختلف ضغط هذا الهواء عن الضغط الجوي بمقدار ضغط عمود الزئبق الذي يساوي ارتفاعه الفرق في المستويات. من الزئبق في الأنابيب A وB. عند رفع الأنبوب B، يضاف ضغط عمود الزئبق إلى الضغط الجوي. يقل حجم الهواء في الأنبوب A. عندما يتم خفض الأنبوب B، يكون مستوى الزئبق فيه أقل منه في الأنبوب A، ويتم طرح ضغط عمود الزئبق من الضغط الجوي، ويزداد حجم الهواء في الأنبوب A وفقًا لذلك.

وبمقارنة قيم الضغط الناتج بهذه الطريقة وحجم الهواء المحبوس في الأنبوب A، سنقتنع أنه عندما يزيد حجم كتلة معينة من الهواء بعدد معين من المرات، فإن ضغطها ينخفض ​​بنفس المقدار والعكس صحيح. يمكن اعتبار درجة حرارة الهواء في الأنبوب ثابتة خلال هذه التجارب.

لذا، إن ضغط كتلة معينة من الغاز عند درجة حرارة ثابتة يتناسب عكسيا مع حجم الغاز(قانون بويل ماريوت).

بالنسبة للغازات المتخلخلة، فإن قانون بويل-ماريوت يفي بدرجة عالية من الدقة. بالنسبة للغازات المضغوطة أو المبردة للغاية، تم العثور على انحرافات ملحوظة عن هذا القانون.

صيغة تعبر عن قانون بويل ماريوت.دعونا نشير إلى المجلدين الأولي والنهائي بالأحرف الخامس 1و الخامس 2والضغط الأولي والنهائي بالحروف ص 1و ص2. استنادا إلى نتائج التجارب المذكورة أعلاه، يمكننا أن نكتب

ص 1 / ص2 = الخامس 2 / الخامس 1 (3) ص1ف1=ص2ف2 (4)

الصيغة (4) هي تعبير آخر عن قانون بويل ماريوت. وهذا يعني ذلك بالنسبة لكتلة معينة من الغاز، يظل حاصل ضرب حجم الغاز وضغطه أثناء عملية متساوية الحرارة دون تغيير.

يمكن أيضًا تطبيق الصيغتين (3) و(4) إذا لم تكن عملية تغيير حجم الغاز متساوية الحرارة، ولكن التغيرات في درجة الحرارة كانت بحيث تكون درجة حرارة كتلة معينة من الغاز في بداية العملية وفي نهايتها كان هو نفسه.

بالنسبة للغازات المتخلخلة، فإن قانون بويل-ماريوت يفي بدرجة عالية من الدقة، وبشرط أن تظل درجة الحرارة ثابتة، فإن الناتج الكهروضوئيةلكتلة معينة من الغاز يمكن اعتبارها ثابتة تمامًا. ولكن في حالة الانتقال إلى ضغوط عالية جدًا يتم اكتشاف انحراف ملحوظ عنها. مع زيادة تدريجية في ضغط كتلة معينة من الغاز، والناتج الكهروضوئيةفي البداية يتناقص بشكل ملحوظ ثم يبدأ في الزيادة، ليصل إلى قيم أعلى بعدة مرات من تلك المقابلة للغاز المخلخل.

في منتصف الاسطوانة، مغلق من كلا الطرفين، يوجد مكبس (الشكل 9). يبلغ ضغط الغاز في كلا النصفين 750 ملم زئبق. فن. يتحرك المكبس بحيث يقل حجم الغاز الموجود على اليمين إلى النصف. ما هو فرق الضغط؟ (الجواب: 1000 ملم زئبقي)

يتم توصيل سفينتين بسعة 4.5 لتر و 12.5 لتر بواسطة أنبوب بصنبور. الأول يحتوي على غاز عند ضغط 20 كجم/سم2. وفي الثانية كمية قليلة من الغاز يمكن إهمالها. ما الضغط الذي سينشأ في كلا الوعاءين إذا تم فتح الصنبور؟ (الإجابة: 5.3 كجم قوة/سم2)

في التكنولوجيا، غالبًا ما تُستخدم الرسوم البيانية التي توضح اعتماد ضغط الغاز على حجمه. يمكنك رسم رسم بياني كهذا لعملية متساوية الحرارة. نرسم حجم الغاز على طول المحور الإحداثي، وضغطه على طول المحور الإحداثي. افترض أن ضغط كتلة معينة من الغاز حجمها 1 م 3 يساوي 3.6 كجم قوة / سم 2. بناءً على قانون بويل-ماريوت، نحسب أنه في حجم 2 م 3 يكون الضغط 3.6´0.5 كجم قوة/سم 2 =
1.8 كجم/سم2. وبمتابعة هذه الحسابات نحصل على الجدول التالي:

الجدول 5

V، م 3 1,2 1,5 1,8 2,3 2,7 3,5 4,5 5,5 ص،كجم ق / سم 2 3,6 3,0 2,4 2,0 1,8 1,6 1,3 1,2 1,03 0,9 0,8 0,72 0,65 0,6

إذا رسمنا هذه البيانات على شكل نقاط، تكون حروفها هي القيم Vوالإحداثيات هي القيم المقابلة ص، نحصل على خط منحني (قطع زائد) - رسم بياني لعملية متساوية الحرارة في الغاز.

العلاقة بين كثافة الغاز وضغطه. كثافة المادة هي الكتلة الموجودة في وحدة الحجم.على سبيل المثال، إذا تم تقليل حجم الغاز بمقدار خمس مرات، فإن كثافة الغاز ستزداد أيضًا بمقدار خمس مرات. وفي الوقت نفسه، سيزيد ضغط الغاز. إذا لم تتغير درجة الحرارة، فكما يوضح قانون بويل-ماريوت، سيزيد الضغط أيضًا خمس مرات. ومن هذا المثال يتضح ذلك في عملية متساوية الحرارة، يتغير ضغط الغاز بشكل مباشر مع كثافته.

إذا كانت كثافة الغاز عند الضغوط ص 1 و ص 2تساوي ρ 1 و ρ 2، ثم يمكننا الكتابة

ρ 1 / ρ 2 = ص 1 / ص2 (5)

يمكن اعتبار هذه النتيجة المهمة تعبيرًا آخر وأكثر أهمية عن قانون بويل ماريوت. والحقيقة هي أنه بدلاً من حجم الغاز، الذي يعتمد على ظرف عشوائي - على كتلة الغاز المختارة - تتضمن الصيغة (5) كثافة الغاز، والتي، مثل الضغط، تميز حالة الغاز وتفعلها لا تعتمد على الإطلاق على الاختيار العشوائي لكتلتها.

تبلغ كثافة الهيدروجين عند ضغط 1.00 كجم/سم2 ودرجة حرارة 16 درجة مئوية 0.085 كجم/م3. حدد كتلة الهيدروجين الموجودة في أسطوانة سعة 20 لترًا إذا كان الضغط
80 كجم/سم2 ودرجة الحرارة 16 درجة مئوية. ( إجابة: 0.136 كجم).

التفسير الجزيئي لقانون بويل ماريوت.إذا تغيرت كثافة الغاز، فإن عدد الجزيئات لكل وحدة حجم يتغير بنفس العامل. إذا لم يكن الغاز مضغوطًا جدًا ويمكن اعتبار حركة الجزيئات مستقلة تمامًا عن بعضها البعض، فإن عدد الضربات نلكل وحدة زمنية لكل وحدة مساحة سطحية لجدار الوعاء الدموي يتناسب مع عدد الجزيئات نلكل وحدة حجم. وبالتالي، إذا لم يتغير متوسط ​​سرعة الجزيئات بمرور الوقت (يعني هذا في العالم الكبير درجة حرارة ثابتة)، فيجب أن يكون ضغط الغاز متناسبًا مع عدد الجزيئات نلكل وحدة حجم، أي كثافة الغاز. وبالتالي، فإن قانون بويل ماريوت هو تأكيد ممتاز لأفكارنا حول طبيعة الغاز.

ومع ذلك، كما قيل، فإن قانون بويل-ماريوت لا يكون مبررا إذا انتقلنا إلى الضغوط العالية. ويمكن تفسير هذا الظرف، كما يعتقد م. لومونوسوف، على أساس المفاهيم الجزيئية.

فمن ناحية، في الغازات شديدة الضغط تكون أحجام الجزيئات نفسها قابلة للمقارنة مع المسافات بينها. وبالتالي فإن المساحة الحرة التي تتحرك فيها الجزيئات أقل من الحجم الكلي للغاز. يزيد هذا الظرف من عدد اصطدامات الجزيئات بالجدار، لأنه يقلل المسافة التي يجب أن يطيرها الجزيء للوصول إلى الجدار.

من ناحية أخرى، في الغاز المضغوط للغاية وبالتالي الأكثر كثافة، تنجذب الجزيئات بشكل ملحوظ إلى جزيئات أخرى في كثير من الأحيان أكثر من الجزيئات الموجودة في الغاز المخلخل. وهذا، على العكس من ذلك، يقلل من عدد تأثيرات الجزيئات على الحائط، لأنه في وجود جاذبية لجزيئات أخرى، تتحرك جزيئات الغاز نحو الجدار بسرعة أقل مما كانت عليه في حالة عدم وجود جاذبية. في حالة الضغوط غير العالية جدًا، يكون الظرف الثاني أكثر أهمية، وهو المنتج الكهروضوئيةيتناقص قليلا. عند الضغوط العالية جدًا، يلعب الظرف الأول والمنتج دورًا أكبر الكهروضوئيةيزيد.

لذلك، فإن كل من قانون بويل ماريوت والانحرافات عنه تؤكد النظرية الجزيئية.

التغير في حجم الغاز مع تغير درجة الحرارة.الآن دعونا نحدد كيف يتصرف الغاز إذا تغيرت درجة حرارته وحجمه، لكن الضغط يظل ثابتًا. دعونا نفكر في هذه التجربة. دعونا نلمس بكفنا وعاءً يحبس فيه عمود أفقي من الزئبق كتلة معينة من الهواء. يسخن الغاز الموجود في الوعاء، ويرتفع ضغطه، ويبدأ عمود الزئبق في التحرك. ستتوقف حركة العمود عندما يصبح ضغطه مساوياً للضغط الخارجي بسبب زيادة حجم الهواء في الوعاء. وهكذا زاد حجم الهواء عند تسخينه، لكن الضغط بقي دون تغيير.

فإذا عرفنا كيف تغيرت درجة حرارة الهواء في الوعاء في تجربتنا، وقمنا بقياس كيفية تغير حجم الغاز، فيمكننا دراسة هذه الظاهرة من منظور كمي.

قانون جاي-لوساك.تم إجراء دراسة كمية لاعتماد حجم الغاز على درجة الحرارة عند ضغط ثابت في عام 1802 من قبل الفيزيائي والكيميائي الفرنسي جوزيف لويس جاي لوساك (1778-1850).

وقد أظهرت التجارب ذلك الزيادة في حجم الغاز تتناسب مع الزيادة في درجة الحرارة. ولذلك يمكن وصف التمدد الحراري للغاز، كما هو الحال بالنسبة للأجسام الأخرى، باستخدام معامل درجة حرارة التمدد الحجمي β. اتضح أنه بالنسبة للغازات، يتم ملاحظة هذا القانون بشكل أفضل بكثير من المواد الصلبة والسوائل، بحيث يكون معامل درجة الحرارة للتمدد الحجمي للغازات قيمة ثابتة تقريبًا حتى مع تغيرات كبيرة جدًا في درجة الحرارة (بينما يتم ملاحظة هذا الثبات بالنسبة للسوائل والمواد الصلبة فقط تقريبًا):

ب= (V " –V) /V 0 (ر " – ر) (6)

كشفت تجارب جاي لوساك وآخرين عن نتيجة رائعة. اتضح أن معامل درجة الحرارة للتمدد الحجمي β لجميع الغازات هي نفسها (بتعبير أدق، هي نفسها تقريبًا) وتساوي 1/273 درجة مئوية -1. حجم كتلة معينة من الغاز عندما يسخن ل 1 درجة مئوية عند ضغط ثابت يزيد بمقدار 1/273 من حجم هذه الكتلة من الغاز 0 درجة مئوية (قانون جاي لوساك).

كما يتبين، معامل درجة الحرارة للتمدد الحجمي للغازات β يتزامن مع معامل الضغط درجة الحرارة α .

وتجدر الإشارة إلى أن التمدد الحراري للغازات كبير جدًا، وبالتالي فإن حجم الغاز V 0 عند 0 درجة مئوية يختلف بشكل ملحوظ عن الحجم عند درجة حرارة أخرى، على سبيل المثال، في درجة حرارة الغرفة. لذلك، في حالة الغازات، من المستحيل استبدال الحجم في الصيغة (6) دون خطأ ملحوظ V 0 حجم V. وفقًا لهذا، من المناسب إعطاء صيغة التمدد للغازات بالشكل التالي. بالنسبة للحجم الأولي، نأخذ الحجم V 0 عند 0 درجة مئوية. في هذه الحالة، زيادة درجة حرارة الغاز τ يساوي درجة الحرارة رتقاس على مقياس مئوية. ولذلك، فإن معامل درجة الحرارة للتمدد الحجمي

β = (V – V 0) /V 0 ر, Þ V = V 0 (1+بيتا). (7) لأن β = 1/273 درجة مئوية -1 إذن V = V 0 (1+ر/273). (8)

يمكن استخدام الصيغة (7) لحساب الحجم عند درجات حرارة تصل إلى
0 درجة مئوية وأقل من 0 درجة مئوية. في الحالة الأخيرة رسيكون لها قيم سلبية. ومع ذلك، يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن قانون جاي-لوساك لا ينطبق عندما يكون الغاز مضغوطًا بدرجة عالية أو مبردًا جدًا لدرجة أنه يقترب من حالة التميع. في هذه الحالة، لا يمكن استخدام الصيغة (8).

تطابق الاحتمالات α و β ، المدرجة في قانون تشارلز وقانون جاي لوساك، ليست من قبيل الصدفة. فمن السهل أن نرى ذلك بما أن الغازات تخضع لقانون بويل-ماريوت α و β يجب أن تكون متساوية مع بعضها البعض. في الواقع، لنفترض أن حجم كتلة معينة من الغاز عند درجة حرارة 0 درجة مئوية V 0 والضغط ص 0 . دعونا تسخينه إلى درجة الحرارة ربحجم ثابت. فيكون ضغطها حسب قانون شارل مساويًا لـ ص = ص 0 (1+ألفا ر). ومن ناحية أخرى، دعونا نسخن نفس كتلة الغاز إلى درجة حرارة رعند الضغط المستمر. ثم، وفقا لقانون جاي لوساك، سيصبح حجمه متساويا V = V 0 (1+بيتا). إذن، يمكن أن يكون لكتلة معينة من الغاز درجة حرارة رمقدار V 0 والضغط ص = ص 0 (1+ ألفت) أو الحجم V = V 0 (1+بيتا) والضغط ص 0 .

وفقا لقانون بويل ماريوت V 0 ص = نائب الرئيس 0، أي.

V 0 ص 0 (1+ أ ر) = V 0 ص 0 (1+بيتا), Þ α = β

حجم البالون عند درجة حرارة 0 درجة مئوية هو 820 م3 . ما حجم هذه الكرة إذا تم تسخين الغاز الموجود بداخلها إلى 15 درجة مئوية تحت تأثير أشعة الشمس؟ أهمل التغير في كتلة الغاز بسبب تسربه من القشرة وتغير ضغطه. ( إجابة: 865 م3).

قانون كلايبيرون-مندلييف: الكهروضوئية=ر.ت ، أين ر- ثابت الغاز 8.31 جول/مول ديج. ويسمى هذا القانون معادلة الغاز المثالي للدولة. تم الحصول عليها في عام 1834 من قبل الفيزيائي والمهندس الفرنسي ب. كلايبيرون وتم تعميمها في عام 1874 من قبل د. مندليف لأي كتلة من الغاز (في البداية اشتق كلايبيرون هذه المعادلة فقط لـ 1 مول من مادة الغاز المثالية).

pV = RT، Þ pV / T = R = const.

هناك نوعان من الاسطوانات. يحتوي أحدهما على غاز مضغوط والآخر مسال. الضغط ودرجة الحرارة لكلا الغازين متماثلان. حدد أي أسطوانة تراكمت لديها طاقة أكبر؟ وبالتالي أي من الأسطوانات أكثر خطورة؟ تجاهل الخواص الكيميائية للغازات. (الجواب: بالغاز المسال).

دعونا نشرح حل المشكلة بمثال.

يؤدي خفض الضغط غير المنضبط لأوعية الضغط إلى خطر حدوث انفجار فيزيائي أو كيميائي. دعونا نشرح ذلك باستخدام نظام بخار الماء.

عند الضغط الجوي، يغلي الماء عند 100 درجة مئوية في وعاء مفتوح. ففي وعاء مغلق في غلاية بخارية، على سبيل المثال، يغلي الماء عند درجة حرارة 100 درجة مئوية، ولكن البخار المتولد يضغط على سطح الماء ويتوقف الغليان. لكي يستمر الماء في الغليان في الغلاية، يجب تسخينه إلى درجة حرارة تتوافق مع ضغط البخار. على سبيل المثال، الضغط 6´10 5 باسكال يتوافق مع درجة حرارة +169 درجة مئوية،
8´10 5 باسكال – +171 درجة مئوية، 12´10 5 باسكال – +180 درجة مئوية، إلخ.

إذا توقفت، بعد تسخين الماء، على سبيل المثال، إلى 189 درجة مئوية، عن إمداد فرن الغلاية بالحرارة واستهلاك البخار بشكل طبيعي، فسوف يغلي الماء حتى تنخفض درجة الحرارة إلى أقل من 100 درجة مئوية. في الوقت نفسه، كلما انخفض الضغط في المرجل بشكل أسرع، كلما زادت كثافة تكوين الغليان والبخار بسبب الطاقة الحرارية الزائدة الموجودة في الماء. هذه الطاقة الحرارية الزائدة، عندما ينخفض ​​الضغط من الحد الأقصى إلى الغلاف الجوي، يتم إنفاقها بالكامل على التبخر. في حالة حدوث تمزق ميكانيكي لجدران المرجل أو الوعاء، ينتهك التوازن الداخلي في المرجل ويحدث انخفاض مفاجئ في الضغط إلى الضغط الجوي.

وفي هذه الحالة تتشكل كمية كبيرة من البخار (من 1 م3 ماء – 1700 م3 بخار عند الضغط العادي) مما يؤدي إلى تدمير الوعاء وحركته بسبب القوة التفاعلية الناتجة مما يسبب دمار. وبالتالي، وبغض النظر عن ضغط التشغيل في الغلاية، فإن الخطر لا يكمن في البخار الذي يملأ الحيز البخاري للغلاية، بل في الماء الذي يتم تسخينه فوق 100 درجة مئوية، والذي يتمتع باحتياطي هائل من الطاقة وجاهز للتبخر في أي لحظة. مع انخفاض حاد في الضغط.

يعتمد حجم 1 كجم من البخار المشبع الجاف (حجم محدد) على الضغط: كلما زاد الضغط، قل حجم 1 كجم من البخار.

عند 20 كجم قوة/سم2، يكون الحجم الذي يشغله 1 كجم من البخار أكبر بحوالي 900 مرة من حجم 1 كجم من الماء. إذا تم ضغط هذا البخار مرتين، دون تغيير درجة الحرارة، أي. ما يصل إلى 40 كجم / سم 2، فإن حجمه سينخفض ​​أيضًا بمقدار مرتين. لا يمكن ضغط الماء، فهو غير قابل للضغط تقريبًا.

من الواضح أن نفس العمليات تحدث في أسطوانة مملوءة بالغاز المسال. كلما زاد الفرق بين نقطة غليان غاز معين في الظروف العادية ونقطة الغليان عند ضغط معين في الأسطوانة، زاد الخطر في حالة حدوث ضرر ميكانيكي لسلامة الأسطوانة.

وفي هذه الحالة لا يكمن الخطر في كمية ضغط الغاز في الاسطوانة، بل في الطاقة التي أنفقت على تسييل الغاز.

تعليمات

في هذه الحالة، يمكن العثور على الكتلة المولية M من الجدول D.I. مندليف. بالنسبة للنيتروجين فهو 12 جم / مول. ثم:

V=0.05*12*8.31*333/30*12≈4.61.

إذا كان الحجم في الظروف العادية معروفًا، وكان الحجم في الظروف الأخرى هو المطلوب، فطبق قانون Boyle-Mariotte وGay-Lussac:

الكهروضوئية/T=pнVн/Tн.

في هذه الحالة، قم بإعادة ترتيب الصيغة على النحو التالي:

pV*Tn=pnVn*T.

ومن ثم فإن الحجم V يساوي:

V=pнVн*T/p*Tн.

الفهرس n يعني قيمة معلمة معينة في ظل الظروف العادية.

إذا نظرنا إلى حجم الغاز من وجهة نظر الديناميكا الحرارية، فمن الممكن أن تؤثر القوى على الغازات، مما يؤدي إلى تغير الحجم. في هذه الحالة، يكون ضغط الغاز ثابتًا، وهو ما ينطبق على العمليات متساوية الضغط. خلال هذه العمليات، يتغير الحجم من قيمة إلى أخرى. يمكن تعيينها على أنها V1 و V2. في عدد من المشاكل، يتم وصف غاز معين يقع تحت مكبس في السفينة. عندما يتمدد هذا الغاز، يتحرك المكبس مسافة معينة dl، وينتج عن ذلك شغل:

فإذا كان جسماً صلباً فإن جزيئاته تهتز عند عقد الشبكة البلورية، وإذا كان غازاً فإن جزيئاته تتحرك بحرية في حجم المادة، وتتصادم مع بعضها البعض. تتناسب درجة حرارة المادة مع شدة حركتها. من وجهة نظر فيزيائية، هذا يعني أن درجة الحرارة تتناسب طرديا مع الطاقة الحركية لجزيئات المادة، والتي بدورها تتحدد بسرعة حركة الجزيئات وكتلتها.

كلما ارتفعت درجة حرارة الجسم، زاد متوسط ​​الطاقة الحركية للجزيئات. تنعكس هذه الحقيقة في صيغة الطاقة الحركية للغاز المثالي، والتي تساوي حاصل ضرب ثابت بولتزمان ودرجة الحرارة.

تأثير الحجم على درجة الحرارة

تخيل البنية الداخلية للغاز. يمكن اعتبار الغاز مثاليًا، حيث يتمتع بالمرونة المطلقة لاصطدام الجزيئات مع بعضها البعض. يمتلك الغاز درجة حرارة معينة، أي كمية معينة من الطاقة الحركية للجزيئات. لا يضرب كل جسيم جسيمًا آخر فحسب، بل يضرب أيضًا جدار الوعاء الذي يحد من حجم المادة.

إذا زاد حجم الغاز، أي توسع الغاز، فإن عدد تصادمات الجزيئات مع جدران الوعاء ومع بعضها البعض يتناقص بسبب زيادة المسار الحر لكل جزيء. يؤدي انخفاض عدد الاصطدامات إلى انخفاض ضغط الغاز، لكن المتوسط ​​الحركي الإجمالي لا يتغير، لأن عملية اصطدام الجسيمات لا تؤثر على قيمتها بأي شكل من الأشكال. وبالتالي، عندما يتوسع الغاز المثالي، لا تتغير درجة الحرارة. وتسمى هذه العملية متساوية الحرارة، أي عملية ذات درجة حرارة ثابتة.

يرجى ملاحظة أن هذا التأثير لدرجة الحرارة الثابتة أثناء تمدد الغاز يعتمد على افتراض أنه مثالي، وأيضًا على حقيقة أنه عندما تصطدم الجزيئات بجدران الوعاء، فإن الجزيئات لا تفقد الطاقة. إذا لم يحدث ذلك، فمع تمدده، يقل عدد الاصطدامات التي تؤدي إلى فقدان الطاقة، ويصبح انخفاض درجة الحرارة أقل حدة. عمليا، يتوافق هذا الوضع مع ترموستات المادة الغازية، مما يقلل من فقدان الطاقة الذي يسبب انخفاض درجة الحرارة.

فيديو حول الموضوع

عندما لا نتعامل مع الغاز، ولكن مع جسم صلب أو سائل، ليس لدينا مثل هذه الأساليب المباشرة تحت تصرفنا لتحديد سرعة جزيئات الجسم. ومع ذلك، حتى في هذه الحالات ليس هناك شك في أنه مع زيادة درجة الحرارة تزداد سرعة حركة الجزيئات.

التغير في درجة حرارة الغاز عندما يتغير حجمه. العمليات الأديباتية والمتساوية الحرارة.

لقد حددنا كيف يعتمد ضغط الغاز على درجة الحرارة إذا ظل الحجم دون تغيير. الآن دعونا نرى كيف يتغير ضغط كتلة معينة من الغاز اعتمادًا على الحجم الذي تحتله إذا ظلت درجة الحرارة دون تغيير. ومع ذلك، قبل الانتقال إلى هذه المسألة، نحتاج إلى معرفة كيفية الحفاظ على درجة حرارة الغاز ثابتة. للقيام بذلك، من الضروري دراسة ما يحدث لدرجة حرارة الغاز إذا تغير حجمه بسرعة بحيث لا يكون هناك أي تبادل حراري بين الغاز والأجسام المحيطة به.

دعونا نفعل هذه التجربة. في أنبوب سميك الجدران مصنوع من مادة شفافة، مغلق من أحد طرفيه، نضع الصوف القطني المبلل قليلاً بالأثير، وهذا سيخلق داخل الأنبوب خليطًا من بخار الأثير والهواء، والذي ينفجر عند تسخينه. ثم ادفع المكبس المثبت بإحكام داخل الأنبوب بسرعة. سنرى انفجارًا صغيرًا يحدث داخل الأنبوب. وهذا يعني أنه عند ضغط خليط بخار الأثير والهواء، ترتفع درجة حرارة الخليط بشكل حاد. هذه الظاهرة مفهومة تماما. من خلال ضغط الغاز بقوة خارجية، فإننا ننتج شغلًا، ونتيجة لذلك يجب أن تزداد الطاقة الداخلية للغاز؛ وهذا ما حدث - سخن الغاز.

الآن دعونا نسمح للغاز بالتمدد والقيام بشغل ضد قوى الضغط الخارجية. يمكن القيام بذلك. دع الزجاجة الكبيرة تحتوي على هواء مضغوط في درجة حرارة الغرفة. من خلال توصيل الزجاجة بالهواء الخارجي، سنمنح الهواء الموجود في الزجاجة الفرصة للتمدد، تاركًا الزجاجة الصغيرة. ثقوب إلى الخارج، ووضع مقياس حرارة أو قارورة مع أنبوب في تيار الهواء المتوسع. سيُظهر مقياس الحرارة درجة حرارة أقل بشكل ملحوظ من درجة حرارة الغرفة، وسيتجه الانخفاض في الأنبوب المتصل بالقارورة نحو القارورة، مما سيشير أيضًا إلى انخفاض درجة حرارة الهواء في التيار. وهذا يعني أنه عندما يتمدد الغاز ويبذل شغلًا في نفس الوقت، فإنه يبرد وتنخفض طاقته الداخلية. من الواضح أن تسخين الغاز أثناء الضغط وتبريده أثناء التمدد هما تعبير عن قانون حفظ الطاقة.

إذا انتقلنا إلى الصورة المصغرة، فإن ظاهرة تسخين الغاز أثناء الضغط والتبريد أثناء التمدد سوف تصبح واضحة تماما. عندما يصطدم جزيء بجدار ثابت ويرتد عنه، فإن السرعة، وبالتالي الطاقة الحركية للجزيء، تكون في المتوسط ​​هي نفسها قبل الاصطدام بالجدار. لكن إذا اصطدم الجزيء بمكبس متقدم وارتد منه، فإن سرعته وطاقته الحركية تكون أكبر مما كانت عليه قبل اصطدامه بالمكبس (تمامًا كما تزداد سرعة كرة التنس عندما تضرب في الاتجاه المعاكس بمضرب). ينقل المكبس المتقدم طاقة إضافية إلى الجزيء المنعكس منه. ولذلك فإن الطاقة الداخلية للغاز تزداد أثناء الضغط. عند الارتداد من المكبس المنسحب، تنخفض سرعة الجزيء، لأن الجزيء يعمل عن طريق دفع المكبس المنسحب. ولذلك فإن تمدد الغاز المصاحب لتراجع المكبس أو طبقات الغاز المحيطة يصاحبه شغل ويؤدي إلى انخفاض الطاقة الداخلية للغاز.

لذا فإن ضغط الغاز بواسطة قوة خارجية يؤدي إلى تسخينه، ويصاحب تمدد الغاز تبريده. تحدث هذه الظاهرة دائمًا إلى حد ما، لكنني ألاحظها بشكل حاد بشكل خاص عندما يتم تقليل تبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة، لأن مثل هذا التبادل يمكن أن يعوض بدرجة أكبر أو أقل عن التغير في درجة الحرارة.

العمليات التي يكون فيها انتقال الحرارة ضئيلًا للغاية بحيث يمكن إهماله تسمى العمليات الأدياباتيكية.

ولنعد إلى السؤال المطروح في بداية الفصل. كيف نضمن ثبات درجة حرارة الغاز رغم التغيرات في حجمه؟ ومن الواضح أنه للقيام بذلك، من الضروري نقل الحرارة بشكل مستمر إلى الغاز من الخارج إذا كان يتمدد، وإزالة الحرارة منه بشكل مستمر، ونقلها إلى الأجسام المحيطة إذا كان الغاز مضغوطًا. على وجه الخصوص، تظل درجة حرارة الغاز ثابتة إلى حد ما إذا كان تمدد الغاز أو ضغطه بطيئًا للغاية، ويمكن أن يحدث نقل الحرارة من الخارج أو الخارج بسرعة كافية. ومع التمدد البطيء، تنتقل الحرارة من الأجسام المحيطة إلى الغاز وتنخفض درجة حرارته قليلاً بحيث يمكن إهمال هذا الانخفاض. ومع الضغط البطيء، تنتقل الحرارة، على العكس من ذلك، من الغاز إلى الأجسام المحيطة، ونتيجة لذلك ترتفع درجة حرارته بشكل ضئيل فقط.

العمليات التي يتم فيها الحفاظ على درجة الحرارة ثابتة تسمى متساوي الحرارة.

قانون بويل - ماريوت

دعنا ننتقل الآن إلى دراسة أكثر تفصيلاً لمسألة كيفية تغير ضغط كتلة معينة من الغاز إذا ظلت درجة حرارتها دون تغيير وتغير حجم الغاز فقط. لقد اكتشفنا بالفعل أن مثل هذه العملية متساوية الحرارة تتم بشرط أن تكون درجة حرارة الأجسام المحيطة بالغاز ثابتة وأن يتغير حجم الغاز ببطء شديد بحيث لا تتغير درجة حرارة الغاز في أي لحظة من العملية تختلف عن درجة حرارة الأجسام المحيطة.

ومن ثم نطرح السؤال التالي: كيف يرتبط الحجم والضغط ببعضهما البعض أثناء التغير متساوي الحرارة في حالة الغاز؟ تعلمنا التجارب اليومية أنه عندما يقل حجم كتلة معينة من الغاز، يزداد ضغطها. ومن الأمثلة على ذلك زيادة المرونة عند نفخ كرة القدم أو الدراجة أو إطار السيارة. السؤال الذي يطرح نفسه: كيف بالضبط يزداد ضغط الغاز مع انخفاض الحجم إذا ظلت درجة حرارة الغاز دون تغيير؟

تم تقديم الإجابة على هذا السؤال من خلال البحث الذي أجراه في القرن السابع عشر الفيزيائي والكيميائي الإنجليزي روبرت بويل (1627-1691) والفيزيائي الفرنسي إيدن ماريوت (1620-1684).

يمكن إعادة إنتاج التجارب التي تثبت العلاقة بين حجم الغاز وضغطه: على حامل رأسي مزود بأقسام، توجد أنابيب زجاجية A وB، متصلة بواسطة أنبوب مطاطي C. يُسكب الزئبق في الأنابيب. الأنبوب B مفتوح في الأعلى، والأنبوب A به صنبور. دعونا نغلق هذا الصمام، وبالتالي نحبس كتلة معينة من الهواء في الأنبوب A. وطالما أننا لا نحرك الأنابيب، فإن مستوى الزئبق في كلا الأنبوبين هو نفسه. وهذا يعني أن ضغط الهواء المحبوس في الأنبوب A هو نفس ضغط الهواء المحيط.

دعونا الآن نرفع الأنبوب B ببطء. سنرى أن الزئبق في كلا الأنبوبين سيرتفع، ولكن ليس بالتساوي: في الأنبوب B، سيكون مستوى الزئبق دائمًا أعلى منه في الأنبوب A. إذا خفضنا الأنبوب B، فإن مستوى الزئبق يتناقص في كلا المرفقين، لكن في الأنبوب B يكون الانخفاض أكبر منه في A.

يمكن حساب حجم الهواء المحبوس في الأنبوب "أ" عن طريق أقسام الأنبوب "أ". ويختلف ضغط هذا الهواء عن الضغط الجوي بواسطة ضغط عمود الزئبق الذي يساوي ارتفاعه الفرق في مستويات الزئبق في الأنابيب A و B. متى. ومع رفع الأنبوب، يضاف ضغط عمود الزئبق إلى الضغط الجوي. يقل حجم الهواء في A. عندما يتم خفض الأنبوب B، يكون مستوى الزئبق فيه أقل مما هو عليه في A، ويتم طرح ضغط عمود الزئبق من الضغط الجوي؛ يزداد حجم الهواء في A تبعًا لذلك.