Нақты газдың ішкі энергиясы. Джоуль-Томсон эффектісі Нақты газдың ішкі энергиясы молекулаларының кинетикалық энергиясы және олардың өзара әрекеттесуінен пайда болатын потенциал энергиясымен анықталады:
(19)
Идеал газ сияқты нақты газдардың да молекулаларының кинетикалық энергиясы (бір моль газды қарастырамыз) оның
температурасына пропорционал болады
(20)
мұндағы газдың көлемі тұрақты болған жағдайдағы молярлық жылу сыйымдылығы.
Нақты газдың ішкі энергиясы
(21)
теңдеу түрінде анықталады.
Джоуль-Томсон тәжірибесі жағдайында сақталатын шама газдың ішкі энергиясы емес, күй функциясы болып табылатын энтальпия.
(22)
2
Газдардың термодинамикалық қасиеттерін сипаттайтын коэффициенттерді есептеудің кейбір теориялық әдістері
Метод гидростатического взвешивания основан на использовании пропорциональной зависимости между выталкивающей силой, действующей на поплавок ,погруженный в исследуемое вещество, и плотностью вещества. Измеряя массу поплавка в воздухе m1,в дистиллированной воде m2 и в исследуемой жидкости m3, определяют плотность по соотношению
p=(m1-m3)/Vп +pв(1) Где p–плотность исследуемого вещества при температуре опыта t и атмосферном давленииp; V=(m1-m2)/(pдв-pв)-объем поплавка ; pдв,pв– плотность воздуха и дистиллированной воды при температуре опыта и атмосферном давлении.
При тщательном проведении опыта погрешность не превышает 0,01% [33].
Более сложные варианты этого метода используются для измерения плотности сжатых жидкостей и газов.
Метод пикнометра основан на фиксации объема известной массы вещества, находящейся в калиброванном , обычно стеклянном сосуде (пикнометре).Измеряя при различных температурах уровень и массу вещества в пикнометре, вычисляют плотность
P=m/Vt(2)
гдеm масса вещества в пикнометре при температуреt; Vt –объем,занимаемыйвеществомв пикнометре при температуреt.
Более сложные варианты этого метода используются для измерения плотности сжатых жидкостей и газов.Погрешность метода в основном определяется точностью взвешивания .
Метод ареометра основан на использовании пропорциональной зависимости между глубиной погружения стеклянного поплавка (ареометра) в исследуемую жидкость и ее плотностью.Ареометр в нижней части имеет груз (ртуть, дробь),в выступающей над поверхностью жидкости (шейкаареометра)- шкалу в единицах плотности (рис 5-2). Отечественной промышленностью выпускаются наборы ареометров для измерения широкого интервала плотностей. Погрешность измерения плотности стандартным ареометром не превышает 0,1% .
Исследование зависимости плотности жидкостей и газов от температуры и давления является наиболее простым и надежным способом получения необходимой информации об их термодинамических свойствах. Обработка pVT-зависимости позволяет получить термическое уравнение состояния, с помощью которого могут быть вычислены калорические и акустические функции: энтальпия, энтропия, теплоемкость, скорость звука и т.д.
Для исследования pVT-зависимости наиболее широко используются следующие методы.
Метод пьезометра переменного объема основан на изотермическом сжатии постоянного и известного количества исследуемого вещества в пьезометре разгруженном от давлении.В качестве поджимающего устройства используют глицерино-ртутный или масляно-ртутный пресс .Пьезометр на рис. 5-3,а имеет ряд шариков, соединенных тонкими капиллярами, в которые впаяны платиновые контакты, а пьезометр рис. 5-3,бимеет капилляр в нижней части также с впаянными контактами. Объем между каждой парой контактов определяется предварительно по массе заполняющей ртути или дистиллированной воды .Если при заданной температуреt вытеснять часть ртути в пьезометр, то каждому положению уровня ртути будет соответствовать определенный объем газа в пьезометре. Объем фиксируется с помощью впаянных контактов или визуально .Плотность определяется по формуле:
; (3)
Основным недостатком метода является наличие контакта ртути с исследуемым веществом, что ограничивает температурный интервал исследований. Различные разновидности метода с успехом применяются при исследований жидкостей, газов и их смесей до давлении 300МПа.Погрешность при тщательных измерениях не превышает 0,05-0,2%.
Метод пьезометра постоянного объема основан на измерении давленияp и температуры tизвестного количества исследуемого веществаm, заключенного в пьезометре, объем которого при комнатной температуре заранее определен с высокой степенью точности.
Различают две разновидности метода.
Метод пьезометра с балластным объемом, при котором часть исследуемого вещества имеет температуру отличную от температуры опыта, и находится в капилляре, соединяющем пьезометр с системой измерения давления ;основные погрешности метода связаны с введением поправки на балластный объем.
Метод без балластного пьезометра постоянного обмена, при котором все количество исследуемого вещества находится при температуре опыта, осуществляется с помощью установки на линии пьезометр-манометр так называемого «горячего» вентиля постоянного объема, или чувствительной мембраны, отделяющей исследуемое вещество от масляной системы манометра , или применением ртутного затвора.
Используются две методики проведения эксперимента:
По изохорам. При этом изменяются температура и давление ,а количество вещества в пьезометре остается неизменным.
(4)
По изотермам.При неизменной температуре давление изменяется выпуском небольших взвешиваемых порций вещества m.
При n выпусках плотность в любом из фиксируемых состояний , (5)
Где i-порядковый номер выпуска вещества;mост- масса вещества оставшегося после последнего выпуска ,определяемая по известным значениям плотности при низких давлениях.
Варианты установок, реализующих этот метод, отличаются в основном конструкцией пьезометра, способом заполнения пьезометра исследуемым веществом ,последовательностью проведения измерений. В современных установках по измерению pVT-зависимости ,как правило, используются платиновый образцовый термометр для измерения температуры отнесения ,грузопоршневой манометр для измерения давления, система прецизионного термостатирования.
Погрешность измерении р в жидкой фазе превышает 0,01-0,1% ,а в газообразной 0.1-0.2%.
Оптический метод исследован р рассмотрен в.
2
Газдардың жылуфизикалық қасиеттерін анықтаудың тәжірибелік әдістері
Экспериментальная определения теплоемкости срвеществ осуществляется методами непосредственного нагрева, смешения и постоянного потока. Два первых метода используются для исследования жидкостей и твердых тел ба последний –сжатых газов, паров. Эти методы осуществляются постановкой калориметрического эксперимента применительно к определению теплоемкости из уровнения теплового баланса калориметра.Трудности,возникающие при реализацтт этих методов,связаны с необходимостью создания калориметра с минимально возможным значением суммарной теплоемкости и точного учета тепловых потерь.
Метод непосредственного нагрева основан на введении определенного количества теплоты Q в калориметр и повышении его температуры отt1-t2 при этом теплоемкость с учетом тепловых потерь определяется по формуле
