Je, halijoto hubadilikaje inapobanwa kwa kasi? Badilisha katika hali ya joto ya gesi wakati kiasi chake kinabadilika

Tumeanzisha jinsi shinikizo la gesi linategemea joto ikiwa kiasi kinabakia bila kubadilika. Sasa hebu tuone jinsi shinikizo la molekuli fulani ya gesi hubadilika kulingana na kiasi kinachochukua ikiwa hali ya joto inabakia bila kubadilika. Hata hivyo, kabla ya kuendelea na suala hili, tunahitaji kufikiri jinsi ya kudumisha joto la gesi mara kwa mara. Ili kufanya hivyo, ni muhimu kusoma kile kinachotokea kwa joto la gesi ikiwa kiasi chake kinabadilika haraka sana kwamba hakuna kubadilishana joto kati ya gesi na miili inayozunguka.

Hebu tufanye jaribio hili. Katika bomba lenye nene lililotengenezwa kwa nyenzo za uwazi (plexiglass au glasi), iliyofungwa kwa mwisho mmoja, tunaweka pamba, iliyotiwa unyevu kidogo na ether, na hii itaunda mchanganyiko wa mvuke wa etha na hewa ndani ya bomba, ambayo hulipuka inapokanzwa. . Kisha haraka kushinikiza pistoni tightly kufaa ndani ya tube (Mchoro 378). Tutaona mlipuko mdogo ukitokea ndani ya bomba. Hii ina maana kwamba wakati mchanganyiko wa mvuke wa ether na hewa uliposisitizwa, joto la mchanganyiko liliongezeka kwa kasi. Jambo hili linaeleweka kabisa. Kwa kukandamiza gesi kwa nguvu ya nje, tunazalisha kazi, kama matokeo ambayo nishati ya ndani ya gesi inapaswa kuongezeka; Hiki ndicho kilichotokea - gesi iliwaka moto.

Mchele. 378. Kwa kusukuma haraka pistoni kwenye bomba la kioo lenye kuta nene, tunasababisha pamba inayowaka sana ndani ya bomba kuwaka.

Sasa hebu tupe gesi fursa ya kupanua na kufanya kazi dhidi ya nguvu za shinikizo la nje. Hii inaweza kufanyika, kwa mfano, kama hii (Mchoro 379). Acha chupa kubwa iwe na hewa iliyoshinikizwa kwenye joto la kawaida. Hebu tupe hewa katika chupa fursa ya kupanua, ikitoka kwenye shimo ndogo hadi nje, na kuweka thermometer au chupa yenye tube, iliyoonyeshwa kwenye Mchoro, katika mkondo wa kupanua hewa. 384. Thermometer itaonyesha joto la chini kuliko joto la kawaida, na kushuka kwa bomba iliyounganishwa na chupa itaendesha kuelekea chupa, ambayo pia itaonyesha kupungua kwa joto la hewa katika mkondo. Hii ina maana kwamba wakati gesi inapoongezeka na wakati huo huo inafanya kazi, inapoa na nishati yake ya ndani hupungua). Ni wazi kuwa inapokanzwa kwa gesi wakati wa kukandamiza na baridi wakati wa upanuzi ni kielelezo cha sheria ya uhifadhi wa nishati.

Mchele. 379. Kipima joto 2, kilichowekwa kwenye mkondo wa hewa inayopanuka, kinaonyesha joto la chini kuliko kipimajoto 1.

Ikiwa tunageuka kwenye microcosm, matukio ya kupokanzwa gesi wakati wa compression na baridi wakati wa upanuzi itakuwa wazi kabisa. Wakati molekuli inapogonga ukuta uliosimama na kuuruka, kasi, na kwa hivyo nishati ya kinetic ya molekuli, kwa wastani ni sawa na kabla ya kugonga ukuta. Lakini ikiwa molekuli itagonga na kurudi nyuma kutoka kwa bastola inayosonga mbele, kasi yake na nishati ya kinetic ni kubwa kuliko kabla ya kugonga pistoni (kama vile kasi ya mpira wa tenisi huongezeka inapopigwa upande tofauti na raketi). Pistoni inayoendelea huhamisha nishati ya ziada kwa molekuli iliyoonyeshwa kutoka kwayo. Kwa hiyo, nishati ya ndani ya gesi huongezeka wakati wa ukandamizaji. Wakati wa kurudi kutoka kwa pistoni inayorudi nyuma, kasi ya molekuli hupungua, kwa sababu molekuli hufanya kazi kwa kusukuma pistoni inayorudi nyuma. Kwa hiyo, upanuzi wa gesi unaohusishwa na uondoaji wa pistoni au tabaka za gesi zinazozunguka hufuatana na kazi na husababisha kupungua kwa nishati ya ndani ya gesi.

Kwa hivyo, ukandamizaji wa gesi na nguvu ya nje husababisha joto, na upanuzi wa gesi unaambatana na baridi yake. Jambo hili daima hutokea kwa kiasi fulani, lakini inaonekana hasa wakati kubadilishana kwa joto na miili ya jirani kunapunguzwa, kwa sababu kubadilishana vile kunaweza kulipa fidia kwa mabadiliko ya joto kwa kiasi kikubwa au kidogo. Michakato ambayo hakuna kubadilishana joto na mazingira ya nje huitwa adiabatic.

Acheni turudi kwenye swali lililoulizwa mwanzoni mwa fungu. Jinsi ya kuhakikisha joto la gesi mara kwa mara licha ya mabadiliko katika kiasi chake? Kwa wazi, kwa kufanya hivyo, ni muhimu kuendelea kuhamisha joto kwa gesi kutoka nje ikiwa ni kupanua, na kuendelea kuondoa joto kutoka humo, kuhamisha kwa miili ya jirani ikiwa gesi inakabiliwa. Hasa, joto la gesi linabaki karibu mara kwa mara ikiwa upanuzi au ukandamizaji wa gesi ni polepole sana, na kubadilishana joto na mazingira ya nje hutokea haraka sana. Kwa upanuzi wa polepole, joto kutoka kwa miili inayozunguka huhamishiwa kwenye gesi na joto lake hupungua kidogo sana kwamba kupungua huku kunaweza kupuuzwa. Kwa ukandamizaji wa polepole, joto, kinyume chake, huhamishwa kutoka kwa gesi hadi kwenye miili inayozunguka, na kwa sababu hiyo joto lake linaongezeka tu kwa kupuuza. Michakato ambayo hali ya joto huhifadhiwa mara kwa mara huitwa isothermal.

225.1. Kwa nini pampu inakuwa moto sana inaposukuma hewa kwenye tairi la baiskeli?

Katika michakato ya uzalishaji inayohusisha matumizi ya gesi (utawanyiko, kuchanganya, usafiri wa nyumatiki, kukausha, kunyonya, nk), harakati na ukandamizaji wa mwisho hutokea kutokana na nishati iliyotolewa kwao na mashine, ambazo zina jina la jumla. mgandamizo. Wakati huo huo, uzalishaji wa mimea ya kushinikiza inaweza kufikia makumi ya maelfu ya mita za ujazo kwa saa, na shinikizo hutofautiana ndani ya safu ya 10-8-10 3 atm, ambayo huamua aina na miundo ya mashine zinazotumiwa. hoja, compress na adimu gesi. Mashine iliyoundwa kuunda shinikizo kubwa huitwa compressors, na mashine zinazofanya kazi kuunda utupu huitwa compressors. pampu za utupu.

Mashine za ukandamizaji zimeainishwa hasa kulingana na vigezo viwili: kanuni ya uendeshaji na kiwango cha ukandamizaji. Uwiano wa ukandamizaji ni uwiano wa shinikizo la mwisho la gesi kwenye sehemu ya mashine R 2 kwa shinikizo la awali la kuingiza uk 1 (yaani. uk 2 /p 1).

Kulingana na kanuni ya operesheni, mashine za compression zimegawanywa katika pistoni, vane (centrifugal na axial), rotary na jet.

Kulingana na kiwango cha compression, wanajulikana:

- compressors zinazotumiwa kuunda shinikizo la juu, na uwiano wa compression R 2 /R 1 > 3;

– vipeperushi vya gesi vilivyotumika kusongesha gesi zenye upinzani mkubwa wa mtandao wa bomba la gesi, huku 3 > uk 2 /p 1 >1,15;

- mashabiki walikuwa wakisafirisha kiasi kikubwa cha gesi wakati uk 2 /p 1 < 1,15;

- pampu za utupu ambazo hunyonya gesi kutoka kwa nafasi yenye shinikizo iliyopunguzwa (chini ya anga) na kuisukuma kwenye nafasi yenye shinikizo la kuongezeka (juu ya anga) au angahewa.

Mashine yoyote ya kukandamiza inaweza kutumika kama pampu za utupu; utupu wa kina zaidi huundwa na pistoni na mashine za rotary.

Tofauti na vinywaji vya matone, mali ya kimwili ya gesi inategemea joto na shinikizo; michakato ya harakati na ukandamizaji wa gesi huhusishwa na michakato ya ndani ya thermodynamic. Kwa tofauti ndogo katika shinikizo na joto, mabadiliko katika mali ya kimwili ya gesi wakati wa harakati zao kwa kasi ya chini na shinikizo karibu na anga ni duni. Hii inafanya uwezekano wa kutumia masharti yote ya msingi na sheria za hydraulics kuzielezea. Hata hivyo, wakati wa kupotoka kutoka kwa hali ya kawaida, hasa kwa uwiano wa juu wa ukandamizaji wa gesi, nafasi nyingi za majimaji hupitia mabadiliko.

Misingi ya Thermodynamic ya mchakato wa compression ya gesi

Ushawishi wa joto juu ya mabadiliko ya kiasi cha gesi kwa shinikizo la mara kwa mara, kama inavyojulikana, imedhamiriwa na sheria ya Gay-Lussac, yaani, wakati uk= const kiasi cha gesi ni sawia moja kwa moja na joto lake:

Wapi V 1 na V 2 - kiasi cha gesi, kwa mtiririko huo, kwa joto T 1 na T 2 iliyoonyeshwa kwenye mizani ya Kelvin.

Uhusiano kati ya kiasi cha gesi kwa joto tofauti unaweza kuwakilishwa na uhusiano

, (4.1)

Wapi V Na V 0 - kiasi cha mwisho na cha awali cha gesi, m3; t Na t 0 - joto la mwisho na la awali la gesi, °C; β t- mgawo wa jamaa wa upanuzi wa volumetric, deg. -1 .

Mabadiliko ya shinikizo la gesi kulingana na hali ya joto:

, (4.2)

Wapi R Na R 0 - shinikizo la mwisho na la awali la gesi, Pa;β R- mgawo wa joto wa jamaa wa shinikizo, digrii. -1 .

Misa ya gesi M inabaki mara kwa mara wakati kiasi chake kinabadilika. Ikiwa ρ 1 na ρ 2 ni msongamano wa majimbo mawili ya joto ya gesi, basi
Na
au
, i.e. Msongamano wa gesi kwa shinikizo la mara kwa mara ni kinyume chake na joto lake kamili.

Kwa mujibu wa sheria ya Boyle-Mariotte, kwa joto sawa bidhaa ya kiasi maalum cha gesi v juu ya thamani ya shinikizo lake R kuna wingi wa mara kwa mara ukv= const. Kwa hiyo, kwa joto la mara kwa mara
, A
, yaani msongamano wa gesi ni sawia moja kwa moja na shinikizo, kwani
.

Kwa kuzingatia equation ya Gay-Lussac, tunaweza kupata uhusiano unaounganisha vigezo vitatu vya gesi: shinikizo, kiasi maalum na joto lake kamili:

. (4.3)

Equation ya mwisho inaitwa Milinganyo ya Clayperon. Kwa ujumla:

au
, (4.4)

Wapi R- gesi thabiti, ambayo inawakilisha kazi inayofanywa kwa kila kitengo cha gesi bora katika isobaric; uk= const) mchakato; wakati joto linabadilika kwa 1 °, mara kwa mara gesi R ina mwelekeo J/(kgdeg):

, (4.5)

Wapi l R- kazi maalum ya mabadiliko ya kiasi iliyofanywa na kilo 1 ya gesi bora kwa shinikizo la mara kwa mara, J / kg.

Kwa hivyo, equation (4.4) inaashiria hali ya gesi bora. Kwa shinikizo la gesi juu ya atm 10, matumizi ya usemi huu huleta hitilafu katika mahesabu ( ukv≠RT), kwa hiyo inashauriwa kutumia kanuni zinazoelezea kwa usahihi zaidi uhusiano kati ya shinikizo, kiasi na joto la gesi halisi. Kwa mfano, na mlinganyo wa van der Waals:

, (4.6)

Wapi R= 8314/M- gesi ya kudumu, J/(kg K); M- molekuli ya gesi, kilo / kmol; A Na V - maadili ambayo ni ya kudumu kwa gesi fulani.

Kiasi A Na V inaweza kuhesabiwa kwa kutumia vigezo muhimu vya gesi ( T cr na R cr):

;
. (4.7)

Kwa shinikizo la juu thamani a/v 2 (shinikizo la ziada katika mlinganyo wa van der Waals) ni ndogo ikilinganishwa na shinikizo uk na inaweza kupuuzwa, basi equation (4.6) inageuka kuwa equation ya hali ya gesi halisi ya Dupre:

, (4.8)

thamani iko wapi V inategemea tu aina ya gesi na haitegemei joto na shinikizo.

Kwa mazoezi, michoro ya thermodynamic hutumiwa mara nyingi kuamua vigezo vya gesi katika majimbo yake anuwai: T–S(joto-entropy), p–i(utegemezi wa shinikizo kwenye enthalpy), uk–V(utegemezi wa shinikizo kwa kiasi).

Kielelezo 4.1 - T-S mchoro

Kwenye mchoro T–S(Mchoro 4.1) mstari AKV inawakilisha ukingo wa mpaka unaogawanya mchoro katika maeneo tofauti yanayolingana na hali fulani za awamu ya dutu hii. Kanda iko upande wa kushoto wa curve ya mpaka ni awamu ya kioevu, na kulia ni eneo la mvuke kavu (gesi). Katika eneo lililofungwa na curve AVK na mhimili wa abscissa, awamu mbili huishi wakati huo huo - kioevu na mvuke. Mstari AK inalingana na condensation kamili ya mvuke, hapa kiwango cha ukame x= 0. Mstari KV inalingana na uvukizi kamili, x = 1. Upeo wa curve unafanana na hatua muhimu K, ambamo hali zote tatu za maada zinawezekana. Mbali na curve ya mpaka, mchoro unaonyesha mistari ya joto la mara kwa mara (isotherms, T= const) na entropy ( S= const), iliyoelekezwa sambamba na shoka za kuratibu, isobars ( uk= const), mistari ya enthalpies ya mara kwa mara ( i= const). Isobars katika eneo la mvuke mvua huelekezwa kwa njia sawa na isotherms; katika eneo la mvuke inayowaka sana hubadilisha mwelekeo kwa kasi kuelekea juu. Katika eneo la awamu ya kioevu, isobars karibu kuunganishwa na curve ya mpaka, kwa kuwa vinywaji ni kivitendo incompressible.

Vigezo vyote vya gesi kwenye mchoro T-S inajulikana kwa kilo 1 ya gesi.

Tangu, kulingana na ufafanuzi wa thermodynamic
, basi joto la mabadiliko ya hali ya gesi
. Kwa hiyo, eneo chini ya curve inayoelezea mabadiliko katika hali ya gesi ni nambari sawa na nishati (joto) ya mabadiliko katika hali.

Mchakato wa kubadilisha vigezo vya gesi huitwa mchakato wa kubadilisha hali yake. Kila hali ya gesi ina sifa ya vigezo uk,v Na T. Wakati wa mchakato wa kubadilisha hali ya gesi, vigezo vyote vinaweza kubadilika au mmoja wao anaweza kubaki mara kwa mara. Kwa hivyo, mchakato unaotokea kwa kiasi cha mara kwa mara huitwa isochoric, kwa shinikizo la mara kwa mara - isobaric, na kwa joto la kawaida - isothermal. Wakati, kwa kutokuwepo kwa kubadilishana joto kati ya gesi na mazingira ya nje (joto halijaondolewa au hutolewa), vigezo vyote vitatu vya mabadiliko ya gesi ( p,v,T) V mchakato wa upanuzi au contraction yake , mchakato unaitwa adiabatic, na lini mabadiliko katika vigezo vya gesi hutokea kwa ugavi unaoendelea au kuondolewa kwa joto – polytropic.

Kwa kubadilisha shinikizo na kiasi, kulingana na hali ya kubadilishana joto na mazingira, mabadiliko katika hali ya gesi katika mashine za compression yanaweza kutokea isothermally, adiabatically na polytropically.

Katika isothermal Katika mchakato huo, mabadiliko ya hali ya gesi yanafuata sheria ya Boyle–Mariotte:

pv = const.

Kwenye mchoro p–v mchakato huu unaonyeshwa na hyperbola (Mchoro 4.2). Kazi 1 kg gesi l graphically kuwakilishwa na eneo kivuli, ambayo ni sawa na
, i.e.

au
. (4.9)

Kiasi cha joto ambacho hutolewa wakati wa kukandamiza isothermal ya kilo 1 ya gesi na ambayo lazima iondolewe kwa baridi ili joto la gesi lisalie sawa:

, (4.10)

Wapi c v Na c R ni uwezo maalum wa joto wa gesi kwa kiasi cha mara kwa mara na shinikizo, kwa mtiririko huo.

Kwenye mchoro T-S mchakato wa compression isothermal ya gesi kutoka shinikizo R 1 kwa shinikizo R 2 inawakilishwa na mstari ulionyooka ab, inayotolewa kati ya isobars R 1 na R 2 (Mchoro 4.3).


Mchoro 4.2 - Mchakato wa ukandamizaji wa gesi ya isothermal kwenye mchoro	Mchoro 4.3 - Mchakato wa ukandamizaji wa gesi ya isothermal kwenye mchoro T-S

Joto sawa na kazi ya ukandamizaji inawakilishwa na eneo lililopunguzwa na uratibu uliokithiri na mstari wa moja kwa moja. ab, i.e.

. (4.11)

Mchoro 4.4 - Michakato ya ukandamizaji wa gesi kwenye mchoro
:

A - mchakato wa adiabatic;

B - mchakato wa isothermal

Kwa kuwa usemi wa kuamua kazi iliyotumiwa katika mchakato wa ukandamizaji wa isothermal ni pamoja na kiasi na shinikizo tu, basi ndani ya mipaka ya utumiaji wa equation (4.4) haijalishi ni gesi gani itasisitizwa. Kwa maneno mengine, ukandamizaji wa isothermal wa 1 m 3 ya gesi yoyote kwa shinikizo sawa la awali na la mwisho linahitaji kiasi sawa cha nishati ya mitambo.

Katika adiabatic Katika mchakato wa ukandamizaji wa gesi, mabadiliko katika hali yake hutokea kutokana na mabadiliko ya nishati yake ya ndani, na kwa hiyo, joto.

Kwa fomu ya jumla, equation ya mchakato wa adiabatic inaelezewa na usemi:

, (4.12)

Wapi
- index ya adiabatic.

Graphically (Mchoro 4.4) mchakato huu unaonyeshwa kwenye mchoro p–v itaonyeshwa kama hyperbola kali zaidi kuliko kwenye Mtini. 4.2., tangu k> 1.

Tukikubali

, Hiyo
. (4.13)

Kwa sababu ya
Na R= const, equation inayotokana inaweza kuonyeshwa tofauti:

au
. (4.14)

Kwa njia ya mabadiliko sahihi, inawezekana kupata utegemezi wa vigezo vingine vya gesi:

;
. (4.15)

Hivyo, joto la gesi mwishoni mwa ukandamizaji wake wa adiabatic

. (4.16)

Kazi iliyofanywa na kilo 1 ya gesi chini ya hali ya mchakato wa adiabatic:

. (4.17)

Joto lililotolewa wakati wa mgandamizo wa adiabatic wa gesi ni sawa na kazi iliyotumika:

Kuzingatia mahusiano (4.15), kazi ya ukandamizaji wa gesi wakati wa mchakato wa adiabatic

. (4.19)

Mchakato wa ukandamizaji wa adiabatic una sifa ya kutokuwepo kabisa kwa kubadilishana joto kati ya gesi na mazingira, i.e. dQ = 0, a dS = dQ/T, Ndiyo maana dS = 0.

Kwa hivyo, mchakato wa compression ya gesi ya adiabatic hutokea kwa entropy ya mara kwa mara ( S= const). Kwenye mchoro T-S mchakato huu utawakilishwa na mstari wa moja kwa moja AB(Mchoro 4.5).

Mchoro 4.5 - Uwakilishi wa michakato ya ukandamizaji wa gesi kwenye mchoro T-S

Ikiwa wakati wa mchakato wa ukandamizaji joto iliyotolewa huondolewa kwa kiasi kidogo kuliko kinachohitajika kwa mchakato wa isothermal (ambayo hutokea katika michakato yote ya ukandamizaji halisi), basi kazi halisi inayotumiwa itakuwa kubwa zaidi kuliko wakati wa ukandamizaji wa isothermal na chini ya wakati wa adiabatic:

, (4.20)

Wapi m- index ya polytropic; k>m> 1 (kwa hewa m
).

Thamani ya index ya polytropiki m inategemea asili ya gesi na hali ya kubadilishana joto na mazingira. Katika mashine za kukandamiza bila kupoeza, faharisi ya polytropiki inaweza kuwa kubwa kuliko faharisi ya adiabatic ( m>k), i.e. mchakato katika kesi hii unaendelea kwa njia ya superadiabatic.

Kazi inayotumika kwenye uboreshaji wa nadra wa gesi huhesabiwa kwa kutumia hesabu sawa na kazi ya kushinikiza gesi. Tofauti pekee ni hiyo R 1 itakuwa chini ya shinikizo la anga.

Mchakato wa compression wa polytropic shinikizo la gesi R 1 hadi shinikizo R 2 katika Mtini. 4.5 itaonyeshwa kama mstari ulionyooka AC. Kiasi cha joto kilichotolewa wakati wa ukandamizaji wa polytropic wa kilo 1 ya gesi ni sawa na kazi maalum ya compression:

Joto la mwisho la compression ya gesi

. (4.22)

Nguvu, zinazotumiwa na mashine za kubana kwenye mgandamizo na uundaji wa nadra wa gesi hutegemea utendakazi wao, vipengele vya muundo, na kubadilishana joto na mazingira.

Nguvu ya kinadharia inayotumika kwenye mgandamizo wa gesi
, imedhamiriwa na tija na kazi maalum ya compression:

, (4.23)

Wapi G Na V- tija ya wingi na volumetric ya mashine, mtawaliwa;
- msongamano wa gesi.

Kwa hivyo, kwa michakato mbalimbali ya ukandamizaji, matumizi ya nguvu ya kinadharia ni:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

Wapi - tija ya volumetric ya mashine ya kukandamiza, iliyopunguzwa kwa hali ya kunyonya.

Nguvu halisi inayotumiwa ni kubwa zaidi kwa sababu kadhaa, i.e. Nishati inayotumiwa na mashine ni kubwa zaidi kuliko ile ambayo huhamisha kwa gesi.

Ili kutathmini ufanisi wa mashine za ukandamizaji, kulinganisha kwa mashine hii na mashine ya kiuchumi zaidi ya darasa moja hutumiwa.

Mashine zilizowekwa kwenye jokofu hulinganishwa na mashine ambazo zinaweza kukandamiza gesi chini ya hali fulani. Katika kesi hii, ufanisi huitwa isothermal,  kutoka:

, (4.27)

Wapi N- nguvu halisi inayotumiwa na mashine hii.

Ikiwa mashine zinafanya kazi bila baridi, basi compression ya gesi ndani yao hutokea kando ya polytrope, index ambayo ni ya juu kuliko index ya adiabatic ( m k) Kwa hivyo, nguvu inayotumika katika mashine kama hizo inalinganishwa na nguvu ambayo mashine ingetumia wakati wa kukandamiza gesi ya adiabatic. Uwiano wa nguvu hizi ni ufanisi wa adiabatic:

. (4.28)

Kuzingatia nguvu iliyopotea kwa msuguano wa mitambo katika mashine na kuzingatia ufanisi wa mitambo. -  manyoya, nguvu kwenye shimoni ya mashine ya kukandamiza:

au
. (4.29)

Nguvu ya injini huhesabiwa kwa kuzingatia ufanisi wa akaunti. injini yenyewe na ufanisi uambukizaji:

. (4.30)

Nguvu ya injini iliyosanikishwa inachukuliwa kwa ukingo (
):

. (4.31)

Thamani  kuzimu inaanzia 0.930.97;  kutoka, kulingana na kiwango cha ukandamizaji, ina thamani ya 0.640.78; ufanisi wa mitambo hutofautiana ndani ya 0.850.95.

Badilisha katika hali ya joto ya gesi wakati kiasi chake kinabadilika. Michakato ya Adiabatic na isothermal

Ili kufanya hivyo, ni muhimu kusoma kile kinachotokea kwa joto la gesi ikiwa kiasi chake kinabadilika haraka sana kwamba hakuna kubadilishana joto kati ya gesi na miili inayozunguka.

Kielelezo cha 7 Hebu tufanye jaribio hili. Katika bomba lenye nene iliyotengenezwa kwa nyenzo za uwazi, imefungwa kwa mwisho mmoja, tunaweka pamba ya pamba, iliyotiwa kidogo na ether, na hii itaunda mchanganyiko wa mvuke wa ether na hewa ndani ya bomba, ambayo hupuka wakati inapokanzwa. Kisha haraka kushinikiza pistoni tightly kufaa ndani ya tube (Mchoro 7). Tutaona mlipuko mdogo ukitokea ndani ya bomba. Hii ina maana kwamba wakati mchanganyiko wa mvuke wa ether na hewa unasisitizwa, joto la mchanganyiko huongezeka kwa kasi. Kwa kukandamiza gesi kwa nguvu ya nje, tunazalisha kazi, kama matokeo ambayo nishati ya ndani ya gesi inapaswa kuongezeka; hii ndio ilifanyika - gesi inapokanzwa.

Sasa hebu tupe gesi fursa ya kupanua na kufanya kazi dhidi ya nguvu za shinikizo la nje. Acha chupa kubwa iwe na hewa iliyoshinikizwa kwenye joto la kawaida (Mchoro 8). Hebu tupe hewa katika chupa fursa ya kupanua, ikitoka kwenye shimo ndogo hadi nje, na kuweka thermometer katika mkondo wa kupanua hewa. Thermometer itaonyesha joto la chini kuliko joto la kawaida. Kwa hiyo, wakati gesi inapanuka na kufanya kazi, inapoa na nishati yake ya ndani hupungua. Ni wazi kuwa inapokanzwa kwa gesi wakati wa kukandamiza na baridi wakati wa upanuzi ni kielelezo cha sheria ya uhifadhi wa nishati.

Ikiwa tunageuka kwenye microcosm, matukio ya kupokanzwa gesi wakati wa compression na baridi, wakati wa upanuzi, itakuwa wazi kabisa. Wakati molekuli inapogonga ukuta uliosimama na kuuruka, kasi A, kwa hiyo, nishati ya kinetic ya molekuli ni wastani sawa na kabla ya kugonga ukuta. Lakini ikiwa molekuli itagonga na kuruka kutoka kwa bastola inayosonga mbele, kasi yake na nishati ya kinetic ni kubwa kuliko kabla ya kugonga pistoni (kama vile kasi ya upanga wa tenisi huongezeka inapopigwa upande tofauti na raketi). Pistoni inayoendelea huhamisha nishati ya ziada kwa molekuli iliyoonyeshwa kutoka kwayo. Kwa hiyo, nishati ya ndani ya gesi huongezeka wakati wa ukandamizaji. Wakati wa kurudi kutoka kwa pistoni inayorudi nyuma, kasi ya molekuli hupungua, kwa sababu molekuli hufanya kazi kwa kusukuma pistoni inayorudi nyuma. Kwa hiyo, upanuzi wa gesi unaohusishwa na uondoaji wa pistoni au tabaka za gesi zinazozunguka hufuatana na kazi na husababisha kupungua kwa nishati ya ndani ya gesi.

Jinsi ya kuhakikisha joto la gesi mara kwa mara licha ya mabadiliko katika kiasi chake? Kwa wazi, kwa kufanya hivyo, ni muhimu kuendelea kuhamisha joto kwa gesi kutoka nje ikiwa ni kupanua, na kuendelea kuondoa joto kutoka humo, kuhamisha kwa miili ya jirani ikiwa gesi inakabiliwa. Hasa, joto la gesi linabaki karibu mara kwa mara ikiwa upanuzi au ukandamizaji wa gesi ni polepole sana, na kubadilishana joto na mazingira ya nje hutokea haraka sana. Kwa upanuzi wa polepole, joto kutoka kwa miili inayozunguka huhamishiwa kwenye gesi na joto lake hupungua kidogo sana kwamba kupungua huku kunaweza kupuuzwa. Kwa ukandamizaji wa polepole, joto, kinyume chake, huhamishwa kutoka kwa gesi hadi kwenye miili inayozunguka, na kwa sababu hiyo joto lake linaongezeka tu kwa kiasi kikubwa. Taratibu ambazo joto huhifadhiwa mara kwa mara huitwa isothermal.

Sheria ya Boyle-Marriott. Kiasi na shinikizo vinahusianaje kwa kila mmoja wakati wa mabadiliko ya isothermal katika hali ya gesi? Uzoefu wa kila siku unatufundisha kwamba wakati kiasi cha wingi wa gesi hupungua, shinikizo lake huongezeka. Lakini ni jinsi gani shinikizo la gesi linaongezeka wakati ujazo wake unapungua ikiwa joto la gesi linabaki bila kubadilika?

Jibu la swali hili lilitolewa na utafiti uliofanywa katika karne ya 17 na mwanafizikia na mwanakemia wa Kiingereza Robert Boyle (1627 - 1691) na mwanafizikia wa Kifaransa Edme Mariotte (1620 - 1684).

Majaribio ya kuanzisha uhusiano kati ya kiasi na shinikizo la gesi yanaweza kutolewa tena kwa kutumia kifaa sawa na kipimajoto cha gesi kilichoonyeshwa kwenye Mtini. 5. Juu ya msimamo wa wima ulio na mgawanyiko, kuna zilizopo za kioo A na B, zilizounganishwa na tube ya mpira C. Mercury hutiwa ndani ya zilizopo. Tube B iko wazi juu, bomba A ina stopcock. Hebu tufunge valve hii, na hivyo kufungia molekuli fulani ya hewa katika tube A. Kwa muda mrefu hatuwezi kusonga zilizopo, kiwango cha zebaki ndani yao ni sawa.

Hii ina maana kwamba shinikizo la hewa iliyofungwa kwenye tube A ni sawa na shinikizo la hewa ya nje. Wacha sasa tuinue bomba B polepole. Tutaona kwamba zebaki katika mirija yote miwili itapanda, lakini sio sawa: katika bomba B kiwango cha zebaki kitakuwa juu kila wakati kuliko bomba A. Ikiwa tunapunguza bomba B, basi kiwango cha zebaki ndani. viwiko vyote viwili hupungua, lakini kwenye mirija B zaidi ya kwenye mirija A.

Kiasi cha hewa iliyonaswa kwenye bomba A inaweza kuhesabiwa na mgawanyiko wa bomba A. Shinikizo la hewa hii litatofautiana na shinikizo la anga kwa kiasi cha shinikizo la safu ya zebaki, ambayo urefu wake ni sawa na tofauti katika viwango. ya zebaki katika zilizopo A na B. Wakati wa kuinua tube B, shinikizo la safu ya zebaki huongezwa kwa shinikizo la anga. Kiasi cha hewa kwenye bomba A hupungua. Wakati tube B inapungua, kiwango cha zebaki ndani yake ni cha chini kuliko kwenye tube A, na shinikizo la safu ya zebaki hutolewa kutoka kwa shinikizo la anga, kiasi cha hewa katika tube A huongezeka ipasavyo.

Kwa kulinganisha maadili ya shinikizo iliyopatikana kwa njia hii na kiasi cha hewa iliyofungwa kwenye tube A, tutakuwa na hakika kwamba wakati kiasi cha wingi wa hewa kinaongezeka kwa idadi fulani ya nyakati, shinikizo lake hupungua kwa idadi sawa. na kinyume chake. Joto la hewa kwenye bomba wakati wa majaribio haya linaweza kuzingatiwa mara kwa mara.

Kwa hiyo, shinikizo la molekuli fulani ya gesi kwa joto la mara kwa mara ni sawia na kiasi cha gesi.(Sheria ya Boyle-Mariotte).

Kwa gesi ambazo hazipatikani tena, sheria ya Boyle–Mariotte inaridhika na kiwango cha juu cha usahihi. Kwa gesi zilizobanwa au kupozwa sana, upotovu unaoonekana kutoka kwa sheria hii hupatikana.

Mfumo unaoelezea sheria ya Boyle–Mariotte. Wacha tuonyeshe juzuu za mwanzo na za mwisho kwa herufi V 1 Na V 2 na shinikizo la awali na la mwisho katika barua uk 1 Na p2. Kulingana na matokeo ya majaribio hapo juu, tunaweza kuandika

uk 1 / p2 = V 2 / V 1 (3) uk 1 v1=uk 2 v2 (4)

Mfumo (4) ni usemi mwingine wa sheria ya Boyle–Mariotte. Ina maana kwamba kwa molekuli fulani ya gesi, bidhaa ya kiasi cha gesi na shinikizo lake wakati wa mchakato wa isothermal bado haibadilika.

Fomula (3) na (4) pia zinaweza kutumika ikiwa mchakato wa kubadilisha kiasi cha gesi haukuwa wa joto, lakini mabadiliko ya joto yalikuwa hivi kwamba mwanzoni na mwisho wa mchakato joto la molekuli fulani ya gesi. ilikuwa sawa.

Kwa gesi ambazo hazijasafishwa tena, sheria ya Boyle–Mariotte inaridhika na kiwango cha juu cha usahihi, na mradi halijoto inabaki sawa, bidhaa pV kwa molekuli fulani ya gesi inaweza kuchukuliwa kuwa mara kwa mara. Lakini katika kesi ya mpito kwa shinikizo la juu sana, kupotoka kwa dhahiri kutoka kwake hugunduliwa. Kwa ongezeko la taratibu katika shinikizo la molekuli fulani ya gesi, bidhaa pV mwanzoni hupungua sana na kisha huanza kuongezeka, kufikia maadili mara kadhaa zaidi kuliko yale yanayolingana na gesi adimu.

Katikati ya silinda, imefungwa kwa ncha zote mbili, kuna pistoni (Mchoro 9). Shinikizo la gesi katika nusu zote mbili ni 750 mm Hg. Sanaa. Pistoni husonga ili kiasi cha gesi upande wa kulia kiwe nusu. Tofauti ya shinikizo ni nini? (Jibu: 1000 mmHg)

Vyombo viwili vilivyo na uwezo wa 4.5 l na 12.5 l vinaunganishwa na bomba na bomba. Ya kwanza ina gesi kwa shinikizo la 20 kgf/cm2. Katika pili kuna kiasi kidogo cha gesi ambacho kinaweza kupuuzwa. Ni shinikizo gani litaanzishwa katika vyombo vyote viwili ikiwa bomba itafunguliwa? (Jibu: 5.3 kgf/cm2)

Katika teknolojia, grafu mara nyingi hutumiwa kuonyesha utegemezi wa shinikizo la gesi kwa kiasi chake. Unaweza kuchora grafu kama hii kwa mchakato wa isothermal. Tunapanga kiasi cha gesi kando ya mhimili wa abscissa, na shinikizo lake pamoja na mhimili wa kuratibu. Acha shinikizo la molekuli fulani ya gesi yenye kiasi cha 1 m 3 iwe sawa na 3.6 kgf/cm 2. Kulingana na sheria ya Boyle-Mariotte, tunahesabu kwamba kwa kiasi cha 2 m 3 shinikizo ni 3.6'0.5 kgf/cm 2 =
1.8 kgf/cm2. Kuendeleza mahesabu haya, tunapata meza ifuatayo:

Jedwali 5

V,m 3 1,2 1,5 1,8 2,3 2,7 3,5 4,5 5,5 R, kgf/cm 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

Ikiwa tunapanga data hii kwa namna ya pointi, abscissas ambayo ni maadili V, na kuratibu ni maadili yanayolingana R, tunapata mstari uliopindika (hyperbola) - grafu ya mchakato wa isothermal katika gesi.

Uhusiano kati ya msongamano wa gesi na shinikizo lake. Msongamano wa dutu ni wingi uliomo katika ujazo wa kitengo. Ikiwa, kwa mfano, kiasi cha gesi kinapungua kwa mara tano, basi wiani wa gesi pia utaongezeka kwa mara tano. Wakati huo huo, shinikizo la gesi litaongezeka. Ikiwa hali ya joto haijabadilika, basi, kama sheria ya Boyle-Mariotte inavyoonyesha, shinikizo pia litaongezeka mara tano. Kutokana na mfano huu ni wazi kuwa katika mchakato wa isothermal, shinikizo la gesi hubadilika kwa uwiano wa moja kwa moja na wiani wake.

Ikiwa msongamano wa gesi kwenye shinikizo uk 1 na uk 2 ni sawa na ρ 1 na ρ 2, basi tunaweza kuandika

ρ 1 / ρ 2 = uk 1 / p2 (5)

Matokeo haya muhimu yanaweza kuchukuliwa kuwa usemi mwingine na muhimu zaidi wa sheria ya Boyle–Mariotte. Ukweli ni kwamba badala ya kiasi cha gesi, ambayo inategemea hali ya nasibu - kwa uzito gani wa gesi huchaguliwa - formula (5) inajumuisha msongamano wa gesi, ambayo, kama shinikizo, ina sifa ya hali ya gesi na haina. haitegemei kabisa kubahatisha kuchagua wingi wake.

Uzito wa hidrojeni kwa shinikizo la 1.00 kgf/cm2 na joto la 16 °C ni 0.085 kg/m3. Amua wingi wa hidrojeni iliyomo kwenye silinda ya lita 20 ikiwa shinikizo
80 kgf/cm2 na halijoto ni 16 °C. ( Jibu: kilo 0.136).

Tafsiri ya molekuli ya sheria ya Boyle-Mariotte. Ikiwa wiani wa gesi hubadilika, basi idadi ya molekuli kwa kila kitengo hubadilika kwa sababu sawa. Ikiwa gesi haijashinikizwa sana na harakati za molekuli zinaweza kuzingatiwa kuwa huru kabisa kwa kila mmoja, basi idadi ya pigo. N kwa muda wa kitengo kwa eneo la uso wa kitengo cha ukuta wa chombo ni sawia na idadi ya molekuli n kwa ujazo wa kitengo. Kwa hivyo, ikiwa kasi ya wastani ya molekuli haibadilika kwa wakati (katika macrocosm hii inamaanisha joto la kawaida), basi shinikizo la gesi lazima liwe sawia na idadi ya molekuli. n kwa kiasi cha kitengo, i.e. msongamano wa gesi. Hivyo, sheria ya Boyle-Mariotte ni uthibitisho bora wa mawazo yetu kuhusu asili ya gesi.

Hata hivyo, kama ilivyosemwa, sheria ya Boyle-Mariotte inakoma kuhalalishwa ikiwa tutaenda kwenye shinikizo kubwa. Na hali hii inaweza kuelezewa, kama M.V. aliamini. Lomonosov, kulingana na dhana za Masi.

Kwa upande mmoja, katika gesi zilizoshinikizwa sana saizi za molekuli zenyewe zinalinganishwa na umbali kati yao. Kwa hivyo, nafasi ya bure ambayo molekuli huhamia ni chini ya jumla ya kiasi cha gesi. Hali hii huongeza idadi ya athari za molekuli kwenye ukuta, kwani inapunguza umbali ambao molekuli inapaswa kuruka ili kufikia ukuta.

Kwa upande mwingine, katika gesi iliyobanwa sana na kwa hivyo mnene zaidi, molekuli huvutiwa kwa urahisi na molekuli zingine zaidi ya wakati kuliko molekuli katika gesi ambayo haipatikani tena. Hii, kinyume chake, inapunguza idadi ya athari za molekuli kwenye ukuta, kwa kuwa mbele ya mvuto kwa molekuli nyingine, molekuli za gesi huenda kuelekea ukuta kwa kasi ya chini kuliko kutokuwepo kwa mvuto. Kwa shinikizo la si juu sana, hali ya pili ni muhimu zaidi, na bidhaa pV inapungua kidogo. Kwa shinikizo la juu sana, hali ya kwanza na bidhaa huchukua jukumu kubwa pV huongezeka.

Kwa hivyo, sheria ya Boyle-Mariotte na mikengeuko kutoka kwayo inathibitisha nadharia ya molekuli.

Badilisha kwa kiasi cha gesi na mabadiliko ya joto. Sasa hebu tuanzishe jinsi gesi inavyofanya ikiwa hali ya joto na kiasi chake hubadilika, lakini shinikizo linabaki mara kwa mara. Hebu tuchunguze uzoefu huu. Hebu tuguse kwa mitende yetu chombo ambacho safu ya usawa ya zebaki hunasa wingi fulani wa hewa. Gesi katika chombo huwaka, shinikizo lake linaongezeka, na safu ya zebaki huanza kusonga. Harakati ya safu itaacha wakati, kutokana na ongezeko la kiasi cha hewa katika chombo, shinikizo lake linakuwa sawa na la nje. Kwa hivyo, kiasi cha hewa kiliongezeka wakati wa joto, lakini shinikizo lilibakia bila kubadilika.

Ikiwa tulijua jinsi hali ya joto ya hewa katika chombo ilibadilika katika jaribio letu, na kupima jinsi kiasi cha gesi kinabadilika, tunaweza kujifunza jambo hili kutoka kwa mtazamo wa kiasi.

Sheria ya Gay-Lussac. Utafiti wa kiasi cha utegemezi wa kiasi cha gesi kwenye joto kwa shinikizo la mara kwa mara ulifanyika mwaka wa 1802 na mwanafizikia wa Kifaransa na kemia Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850).

Majaribio yameonyesha hivyo ongezeko la kiasi cha gesi ni sawia na ongezeko la joto. Kwa hivyo, upanuzi wa joto wa gesi unaweza, kama kwa miili mingine, kuwa na sifa ya kutumia mgawo wa joto wa upanuzi wa volumetric β. Ilibadilika kuwa kwa gesi sheria hii inazingatiwa bora zaidi kuliko yabisi na vinywaji, ili mgawo wa joto wa upanuzi wa gesi ya volumetric ni thamani ya karibu mara kwa mara hata na mabadiliko makubwa sana ya joto (wakati kwa kioevu na solidi hii inazingatiwa. takriban tu):

b= (V " –V) /V 0 (t " – t) (6)

Majaribio ya Gay-Lussac na wengine yalifunua matokeo ya kushangaza. Ilibadilika kuwa mgawo wa joto wa upanuzi wa volumetric β kwa gesi zote ni sawa (kwa usahihi zaidi, karibu sawa) na ni sawa na 1/273 °C -1. Kiasi cha molekuli fulani ya gesi wakati joto kwa 1 °C kwa shinikizo la mara kwa mara huongezeka kwa 1/273 ya kiasi ambacho molekuli hii ya gesi ilikuwa nayo 0 °C (Sheria ya Mashoga-Lussac).

Kama inavyoonekana, mgawo wa joto wa upanuzi wa kiasi cha gesi β sanjari na mgawo wao wa shinikizo la joto α .

Ikumbukwe kwamba upanuzi wa joto wa gesi ni muhimu sana, hivyo kiasi cha gesi V 0 ifikapo 0 °C ni tofauti sana na kiasi cha mwingine, kwa mfano, joto la kawaida. Kwa hiyo, katika kesi ya gesi, haiwezekani kuchukua nafasi ya kiasi katika formula (6) bila kosa linaloonekana V 0 kiasi V. Kwa mujibu wa hili, ni rahisi kutoa formula ya upanuzi wa gesi fomu ifuatayo. Kwa kiasi cha awali tunachukua kiasi V 0 kwa 0 °C. Katika kesi hiyo, ongezeko la joto la gesi τ sawa na joto t kipimo kwa kiwango cha Celsius. Kwa hiyo, mgawo wa joto wa upanuzi wa volumetric

β = (V – V 0) /V 0 t, Þ V = V 0 (1+βt). (7) Kwa sababu β = 1/273 °C -1, basi V = V 0 (1+t/273). (8)

Fomula (7) inaweza kutumika kukokotoa kiasi katika halijoto ya juu kama
0 °C na chini ya 0 °C. Katika kesi ya mwisho t itakuwa na maadili hasi. Ikumbukwe, hata hivyo, kwamba sheria ya Gay-Lussac si ya kweli wakati gesi imebanwa sana au kupozwa kiasi kwamba inakaribia hali ya kuyeyuka. Katika kesi hii, formula (8) haiwezi kutumika.

Odds mechi α Na β , iliyojumuishwa katika sheria ya Charles na sheria ya Gay-Lussac, sio bahati mbaya. Ni rahisi kuona kwamba kwa vile gesi hutii sheria ya Boyle–Mariotte, basi α Na β lazima iwe sawa kwa kila mmoja. Kwa kweli, acha molekuli fulani ya gesi iwe na ujazo kwa joto la 0 ° C V 0 na shinikizo uk 0 . Wacha tuwashe moto hadi joto t kwa sauti ya mara kwa mara. Kisha shinikizo lake, kwa mujibu wa sheria ya Charles, litakuwa sawa uk = uk 0 (1+α t) Kwa upande mwingine, hebu tupashe joto la molekuli sawa ya gesi kwa joto t kwa shinikizo la mara kwa mara. Kisha, kwa mujibu wa sheria ya Gay-Lussac, kiasi chake kitakuwa sawa V = V 0 (1+βt) Kwa hivyo, wingi fulani wa gesi unaweza kuwa na joto t kiasi V 0 na shinikizo uk = uk 0 (1+ αt) au kiasi V = V 0 (1+βt) na shinikizo uk 0 .

Kulingana na sheria ya Boyle–Mariotte V 0 uk = Vp 0, yaani.

V 0 uk 0 (1+ α t) = V 0 uk 0 (1+βt), Þ α = β

Kiasi cha puto kwa 0 °C ni 820 m 3. Je! ni kiasi gani cha mpira huu ikiwa, chini ya ushawishi wa mionzi ya Jua, gesi ndani yake inapokanzwa hadi 15 ° C? Puuza mabadiliko katika molekuli ya gesi kutokana na kuvuja kwake kutoka kwa shell na mabadiliko katika shinikizo lake. ( Jibu: 865 m 3).

Sheria ya Clayperon-Mendeleev: pV=RT , Wapi R- gesi ya kudumu 8.31 J/mol´deg. Sheria hii inaitwa equation bora ya gesi ya serikali. Ilipatikana mnamo 1834 na mwanafizikia na mhandisi Mfaransa B. Clayperon na kujumuishwa kwa jumla mnamo 1874 na D.I. Mendeleev kwa wingi wowote wa gesi (hapo awali Clayperon alipata equation hii kwa mole 1 ya dutu bora ya gesi).

pV=RT, Þ pV/T=R=const.

Kuna mitungi miwili. Moja ina gesi iliyoshinikizwa, nyingine kioevu. Shinikizo na joto la gesi zote mbili ni sawa. Amua ni silinda gani imekusanya nishati zaidi? Na, kwa hiyo, ni nini kati ya mitungi ni hatari zaidi? Kupuuza mali ya kemikali ya gesi. (Jibu: kwa gesi iliyoyeyuka).

Wacha tueleze suluhisho la shida kwa mfano.

Unyogovu usio na udhibiti wa vyombo vya shinikizo hujenga hatari ya mlipuko wa kimwili au kemikali. Hebu tueleze hili kwa kutumia mfumo wa mvuke wa maji.

Kwa shinikizo la anga, maji huchemka kwa 100 ° C kwenye chombo kilicho wazi. Katika chombo kilichofungwa kwenye boiler ya mvuke, kwa mfano, maji huchemka saa 100 ° C, lakini mvuke huzalisha vyombo vya habari juu ya uso wa maji na kuacha kuchemsha. Ili maji yaendelee kuchemsha kwenye boiler, lazima iwe moto kwa joto linalofanana na shinikizo la mvuke. Kwa mfano, shinikizo la 6'10 5 Pa linalingana na joto la +169 ° C,
8'10 5 Pa - +171 °C, 12'10 5 Pa - +180 °C, nk.

Ikiwa, baada ya kupokanzwa maji, kwa mfano, hadi 189 ° C, unachaacha kusambaza joto kwenye tanuru ya boiler na hutumia mvuke kawaida, basi maji yata chemsha hadi joto litapungua chini ya 100 ° C. Zaidi ya hayo, haraka shinikizo katika boiler hupungua, uundaji mkali zaidi wa kuchemsha na mvuke utakuwa kutokana na nishati ya ziada ya mafuta iliyo ndani ya maji. Nishati hii ya ziada ya mafuta, wakati shinikizo linashuka kutoka kiwango cha juu hadi anga, hutumiwa kabisa kwenye uvukizi. Katika tukio la kupasuka kwa mitambo ya kuta za boiler au chombo, usawa wa ndani katika boiler huvunjika na kushuka kwa ghafla kwa shinikizo kwa shinikizo la anga hutokea.

Katika kesi hiyo, kiasi kikubwa cha mvuke huundwa (kutoka 1 m 3 ya maji - 1700 m 3 ya mvuke, kwa shinikizo la kawaida), ambayo inaongoza kwa uharibifu wa chombo na harakati zake kutokana na matokeo ya nguvu tendaji, ambayo husababisha. uharibifu. Kwa hivyo, bila kujali shinikizo la kufanya kazi kwenye boiler, hatari haipo katika mvuke kujaza nafasi ya mvuke ya boiler, lakini katika maji moto zaidi ya 100 ° C, ambayo ina hifadhi kubwa ya nishati na iko tayari kuyeyuka wakati wowote. na kupungua kwa kasi kwa shinikizo.

Kiasi cha kilo 1 cha mvuke iliyojaa kavu (kiasi maalum) inategemea shinikizo: juu ya shinikizo, chini ya kiasi cha kilo 1 cha mvuke.

Kwa kilo 20/cm2, kiasi kilichochukuliwa na kilo 1 cha mvuke ni karibu mara 900 zaidi ya kiasi cha kilo 1 cha maji. Ikiwa mvuke hii, bila kubadilisha hali ya joto, inakabiliwa na mara 2, i.e. hadi 40 kgf/cm 2, basi kiasi chake pia kitapungua kwa mara 2. Maji hayawezi kushinikizwa; karibu hayashikiki.

Kwa wazi, michakato hiyo hiyo hutokea kwenye silinda iliyojaa gesi yenye maji. Tofauti kubwa kati ya kiwango cha kuchemsha cha gesi iliyopewa chini ya hali ya kawaida na kiwango cha kuchemsha kwa shinikizo fulani kwenye silinda, hatari ya juu katika kesi ya uharibifu wa mitambo kwa uadilifu wa silinda.

Katika kesi hiyo, hatari haipo katika kiasi cha shinikizo la gesi kwenye silinda, lakini katika nishati ambayo ilitumika kwa kunyunyiza gesi.

Maagizo

Katika kesi hii, misa ya molar M inaweza kupatikana kutoka kwa meza ya D.I. Mendeleev. Kwa nitrojeni ni 12 g / mol. Kisha:

V=0.05*12*8.31*333/30*12≈4.61.

Ikiwa sauti chini ya hali ya kawaida inajulikana, na kiwango cha chini cha hali zingine ndicho kinachohitajika, tumia sheria za Boyle-Mariotte na Gay-Lussac:

pV/T=pnVн/Tн.

Katika kesi hii, panga upya formula kama ifuatavyo:

pV*Tn=pnVn*T.

Kwa hivyo kiasi cha V ni sawa na:

V=pнVн*T/p*Tн.

Index n ina maana thamani ya parameter fulani chini ya hali ya kawaida.

Ikiwa tunazingatia kiasi cha gesi kutoka kwa mtazamo wa thermodynamics, inawezekana kwamba nguvu zinaweza kutenda kwa gesi kutokana na mabadiliko ya kiasi. Katika kesi hiyo, shinikizo la gesi ni mara kwa mara, ambayo ni kwa michakato ya isobaric. Wakati wa taratibu hizo, kiasi hubadilika kutoka thamani moja hadi nyingine. Wanaweza kuteuliwa kama V1 na V2. Katika idadi ya matatizo, gesi fulani iko chini ya pistoni katika chombo inaelezwa. Wakati gesi hii inapanuka, bastola husogeza umbali fulani dl, na kusababisha kazi:

Ikiwa ni mwili imara, basi chembe hutetemeka kwenye nodes za latiti ya kioo, na ikiwa ni gesi, basi chembe huhamia kwa uhuru kwa kiasi cha dutu, zikigongana na kila mmoja. Joto la dutu linalingana na ukubwa wa harakati. Kutoka kwa mtazamo wa fizikia, hii ina maana kwamba joto ni sawia moja kwa moja na nishati ya kinetic ya chembe za dutu, ambayo, kwa upande wake, imedhamiriwa na kasi ya harakati ya chembe na wingi wao.

Kadiri joto la mwili lilivyo juu, ndivyo nishati ya wastani ya kinetic ya chembe inavyoongezeka. Ukweli huu unaonyeshwa katika fomula ya nishati ya kinetic ya gesi bora, sawa na bidhaa ya , ya mara kwa mara ya Boltzmann na joto.

Athari ya kiasi kwenye joto

Hebu fikiria muundo wa ndani wa gesi. Gesi inaweza kuchukuliwa kuwa bora, elasticity kabisa ya migongano ya molekuli na kila mmoja. Gesi ina joto fulani, yaani, kiasi fulani cha nishati ya kinetic ya chembe. Kila chembe hupiga sio tu chembe nyingine, lakini pia ukuta wa chombo ambacho hupunguza kiasi cha dutu.

Ikiwa kiasi cha gesi kinaongezeka, yaani, gesi huongezeka, basi idadi ya migongano ya chembe na kuta za chombo na kwa kila mmoja hupungua kutokana na kuongezeka kwa njia ya bure ya kila molekuli. Kupungua kwa idadi ya migongano husababisha kupungua kwa shinikizo la gesi, lakini wastani wa wastani wa kinetic haubadilika, kwa sababu mchakato wa mgongano wa chembe hauathiri thamani yake kwa njia yoyote. Kwa hivyo, wakati gesi bora inapanuka, hali ya joto haibadilika. Utaratibu huu unaitwa isothermal, yaani, mchakato na joto la mara kwa mara.

Tafadhali kumbuka kuwa athari hii ya joto la mara kwa mara wakati wa upanuzi wa gesi inategemea dhana kwamba ni bora, na pia juu ya ukweli kwamba wakati chembe zinapogongana na kuta za chombo, chembe hazipoteza nishati. Ikiwa gesi haifanyiki, basi inapoongezeka, idadi ya migongano inayoongoza kwa kupoteza nishati hupungua, na kushuka kwa joto kunapungua. Katika mazoezi, hali hii inafanana na thermostatting ya dutu ya gesi, ambayo inapunguza hasara za nishati zinazosababisha kupungua kwa joto.

Video kwenye mada

Tunaposhughulika sio na gesi, lakini kwa mwili dhabiti au kioevu, hatuna njia za moja kwa moja za kuamua kasi ya molekuli za mwili. Hata hivyo, hata katika kesi hizi hakuna shaka kwamba kwa joto la kuongezeka kasi ya harakati ya molekuli huongezeka.

Badilisha katika hali ya joto ya gesi wakati kiasi chake kinabadilika. Michakato ya Adiabatic na isothermal.

Hebu tufanye jaribio hili. Katika bomba lenye nene iliyotengenezwa kwa nyenzo za uwazi, imefungwa kwa mwisho mmoja, tunaweka pamba ya pamba, iliyotiwa kidogo na ether, na hii itaunda mchanganyiko wa mvuke wa ether na hewa ndani ya bomba, ambayo hupuka wakati inapokanzwa. Kisha sukuma haraka bastola inayobana sana kwenye bomba. Tutaona mlipuko mdogo ukitokea ndani ya bomba. Hii ina maana kwamba wakati mchanganyiko wa mvuke wa ether na hewa uliposisitizwa, joto la mchanganyiko liliongezeka kwa kasi. Jambo hili linaeleweka kabisa. Kwa kukandamiza gesi kwa nguvu ya nje, tunazalisha kazi, kama matokeo ambayo nishati ya ndani ya gesi inapaswa kuongezeka; Hiki ndicho kilichotokea - gesi iliwaka moto.

Sasa hebu turuhusu gesi kupanua na kufanya kazi dhidi ya nguvu za shinikizo la nje. Hili linaweza kufanywa. Acha chupa kubwa iwe na hewa iliyoshinikizwa kwenye joto la kawaida. Kwa kuunganisha chupa na hewa ya nje, tutawapa hewa katika chupa fursa ya kupanua, na kuacha ndogo. mashimo nje, na weka kipimajoto au chupa yenye bomba kwenye mkondo wa hewa inayopanuka. Kipimajoto kitaonyesha halijoto ya chini zaidi kuliko joto la kawaida, na kushuka kwa bomba lililowekwa kwenye chupa itaenda kwenye chupa, ambayo pia itaonyesha kupungua kwa joto la hewa kwenye mkondo. Hii ina maana kwamba wakati gesi inapanua na wakati huo huo inafanya kazi, hupungua na nishati yake ya ndani hupungua. Ni wazi kuwa inapokanzwa kwa gesi wakati wa kukandamiza na baridi wakati wa upanuzi ni kielelezo cha sheria ya uhifadhi wa nishati.

Kwa hivyo, ukandamizaji wa gesi na nguvu ya nje husababisha joto, na upanuzi wa gesi unaambatana na baridi yake. Jambo hili daima hutokea kwa kiasi fulani, lakini ninaona hasa kwa kasi wakati kubadilishana kwa joto na miili inayozunguka kunapunguzwa, kwa sababu kubadilishana vile kunaweza, kwa kiasi kikubwa au kidogo, kulipa fidia kwa mabadiliko ya joto.

Michakato ambayo uhamisho wa joto ni mdogo sana kwamba inaweza kupuuzwa huitwa adiabatic.

Hebu turudi kwenye swali lililoulizwa mwanzoni mwa sura. Jinsi ya kuhakikisha joto la gesi mara kwa mara licha ya mabadiliko katika kiasi chake? Kwa wazi, kwa kufanya hivyo, ni muhimu kuendelea kuhamisha joto kwa gesi kutoka nje ikiwa ni kupanua, na kuendelea kuondoa joto kutoka humo, kuhamisha kwa miili ya jirani ikiwa gesi inakabiliwa. Hasa, hali ya joto ya gesi inabakia sawa ikiwa upanuzi au ukandamizaji wa gesi ni polepole sana, na uhamisho wa joto kutoka nje au nje unaweza kutokea kwa kasi ya kutosha. Kwa upanuzi wa polepole, joto kutoka kwa miili inayozunguka huhamishiwa kwenye gesi na joto lake hupungua kidogo sana kwamba kupungua huku kunaweza kupuuzwa. Kwa ukandamizaji wa polepole, joto, kinyume chake, huhamishwa kutoka kwa gesi hadi kwenye miili inayozunguka, na kwa sababu hiyo joto lake linaongezeka tu kwa kiasi kikubwa.

Michakato ambayo hali ya joto huhifadhiwa mara kwa mara huitwa isothermal.

Sheria ya Boyle - Mariotte

Hebu sasa tuendelee kwenye utafiti wa kina zaidi wa swali la jinsi shinikizo la wingi fulani wa gesi hubadilika ikiwa joto lake linabakia bila kubadilika na tu kiasi cha gesi kinabadilika. Tayari tumegundua kuwa mchakato huo wa isothermal unafanywa chini ya hali ya kwamba joto la miili inayozunguka gesi ni ya mara kwa mara na kiasi cha gesi hubadilika polepole sana kwamba joto la gesi wakati wowote wa mchakato haufanyi. tofauti na joto la miili ya jirani.

Kwa hivyo tunauliza swali: jinsi kiasi na shinikizo vinahusiana kwa kila mmoja wakati wa mabadiliko ya isothermal katika hali ya gesi? Uzoefu wa kila siku unatufundisha kwamba wakati kiasi cha wingi wa gesi hupungua, shinikizo lake huongezeka. Mfano ni ongezeko la elasticity wakati wa kuingiza mpira wa soka, baiskeli au tairi ya gari. Swali linatokea: ni jinsi gani shinikizo la gesi linaongezeka kwa kupungua kwa kiasi ikiwa joto la gesi linabakia bila kubadilika?

Jibu la swali hili lilitolewa na utafiti uliofanywa katika karne ya 17 na mwanafizikia na mwanakemia Mwingereza Robert Boyle (1627-1691) na mwanafizikia Mfaransa Eden Marriott (1620-1684).

Majaribio ya kuanzisha uhusiano kati ya kiasi na shinikizo la gesi yanaweza kuzalishwa: kwenye msimamo wa wima ulio na mgawanyiko, kuna zilizopo za kioo A na B, zilizounganishwa na bomba la mpira C. Mercury hutiwa ndani ya zilizopo. Mrija B umefunguliwa juu, na mirija A ina bomba. Wacha tufunge vali hii, na hivyo kufunga misa fulani ya hewa kwenye bomba A. Ili mradi hatusongei mirija, kiwango cha zebaki kwenye mirija yote miwili ni sawa. Hii ina maana kwamba shinikizo la hewa iliyofungwa kwenye tube A ni sawa na shinikizo la hewa inayozunguka.

Hebu sasa polepole tuinue tube B. Tutaona kwamba zebaki katika zilizopo zote mbili zitaongezeka, lakini si sawa: katika tube B kiwango cha zebaki kitakuwa cha juu kuliko A. Ikiwa tunapunguza tube B, basi kiwango cha zebaki katika viwiko vyote viwili hupungua, lakini katika bomba B kupungua ni kubwa kuliko kwa A.

Kiasi cha hewa iliyofungwa kwenye bomba A inaweza kuhesabiwa na mgawanyiko wa tube A. Shinikizo la hewa hii litatofautiana na shinikizo la anga kwa shinikizo la safu ya zebaki, urefu wake ambao ni sawa na tofauti katika viwango vya zebaki. katika mirija A na B. Wakati. Wakati bomba linapoinuliwa, shinikizo la safu ya zebaki huongezwa kwa shinikizo la anga. Kiasi cha hewa katika A hupungua. Wakati tube B inapungua, kiwango cha zebaki ndani yake ni cha chini kuliko A, na shinikizo la safu ya zebaki hutolewa kutoka kwa shinikizo la anga; kiasi cha hewa katika A huongezeka ipasavyo.

Je, halijoto hubadilikaje inapobanwa kwa kasi? Badilisha katika hali ya joto ya gesi wakati kiasi chake kinabadilika

Misingi ya Thermodynamic ya mchakato wa compression ya gesi

Badilisha katika hali ya joto ya gesi wakati kiasi chake kinabadilika. Michakato ya Adiabatic na isothermal

Athari ya kiasi kwenye joto