Практика №2 Тема: Важнейшие теплофизические свойства

Молекулярная масса М - сумма атомных масс элементов, входящих в состав молекулы. Для грамм – молекулы эта масса выражается в граммах (г), для килограмм – молекулы - в килограммах (кг).

Среднюю молекулярную массу смеси можно определить, зная мольную долю и молекулярную массу каждого компонента смеси:

(14)

где х_i – содержание компонентов в смеси, мол.доли; М_i - молекулярная масса компонента смеси.

Молекулярную массу смеси нескольких нефтяных фракций можно определить по формуле

(15)

или

(16)

где m₁, m₂….,m_n – масса компонентов смеси, кг; М₁, М_2,....,М_n – молекулярная масса компонентов смеси; - % масс. компонента.

Газовая постоянная R – работа 1 кг газа при нагревании его на 1⁰С при постоянном давлении. Газовая постоянная связывает основные параметры газа. В системе единиц МКГСС газовую постоянную измеряют в килограммах-силы-метpax на килограммы-массы-градусы Цельсия [кгс·м/(кг·°С)]; в системе СИ - в джоулях на килограммы-массы-градусы Кельвина [дж/(кг·°К)]. Удельные газовые постоянные некоторых газе приведены в табл. 1(см. пр. №1)

Удельный вес γ - сила тяжести единицы объема вещества.

γ=G/V (17)

где G - сила тяжести (вес) вещества; V - объем вещества. Удельный вес не является постоянной величиной, так как зависит от переменной величины ускорения свободного падения. Поэтому он не может служить параметром вещества. Это иллюстрируется зависимостью

γ = ρg, (18)

где g - ускорение свободного падения.

Вязкостью называется сила F сопротивления скольжения или сдвигу, возникающая при перемещении двух смежных слоев газа, пропорциональная изменению (градиенту) скорости вдоль оси, нормальной к потоку газа.

F = η(dw/dy) (19)

где η - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом динамической, или абсолютной, вязкости (в дальнейшем - динамическая вязкость); dw - градиент скорости в двух соседних слоях, находящихся на расстоянии dy.

В системе единиц МКГСС единица динамической вязкости представляет собой вязкость вещества, в котором при градиент скорости 1 м/сек на 1 м на каждый квадратный метр действует сила трения, равная 1 кгс, т. е. размерность вязкости будет в этом случае кгс·сек/м². В СИ единицей динамической вязкости является 1 н·сек/м².

Если динамический коэффициент вязкости разделим на плотность, то получим коэффициент кинематической вязкости

ν= η/ρ (20)

В системах МКГСС и СИ единица кинематической вязкости - 1 м²/сек. Вязкость всех газов и паров повышается с увеличением их температуры и давления.

Теплотой сгорания газа называют количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 м³ или 1 кг газа. Различают низшую теплоту сгорания, когда не учитывается скрытая теплота, выделяющаяся при конденсации водяных паров из продуктов сгорания газа, и высшую, когда эта теплота учитывается.

За единицу измерения количества тепла принята калория (кал), соответствующая количеству тепла, необходимому для на­зревания 1 г чистой воды на 1° С, в интервале от 19,5 до 20,5° С гои атмосферном давлении 760 мм рт. ст. Удобнее измерять количество тепла более крупной единицей - килокалорией (ккал), [то соответствует 1000 кал. В системе СИ общей единицей измерения работы, энергии и количества теплоты является джоуль (дж), соответствующий работе, совершаемой силой в 1 н на пути в 1 м, пройденном под действием и в направлении этой силы. В практических расчетах применяют килоджоуль (кдж), равный 1000 дж. Соотношения между приведенными единицами: 1 ккал = 4186,8 дж = 4,1868 кдж ≈4,19 кдж. 1 дж = 239·10^-6ккал. Теплота сгорания некоторых газов приведена ниже.

Таблица 2

Теплота сгорания некоторых газов

Газ	Теплота сгорания, ккал/м3
	Низшая	Высшая
Ацетилен	13386	13855
Водород	2 576	3 045
Окись углерода	3016	3 016
Сероводород	5 660	6140
Метан	8 558	9 496
Этан	15 230	16 640
Пропан	21800	23680
Бутан	28 345	30 690
Пентан	34900	37 715
Природный	8 500	9 500
Сжиженный	22 000	24 000
Коксовый	4 300	4 700
Доменный	940	1000
Сланцевый бытовой	3 200	3 600

Примечание. Для сложных газов теплота сгорания дана по среднему составу.

По известному составу газового топлива низшую и высшую теплоту сгорания сухого газа определяют по формулам, ккал/м^?:

Q_н= 25,8Н₂ + 30,2СО + 85,5СН₄ + 152С₂Н₆ +

+ 218С₃Н₈+ 283С₄Н₁₀+ 349С₅Н₁₂+ 56H₂S; (21)

Q_в=30,5Н₂+30,2СО+95СН₄+ 166,4С₂Н₆ +

+ 237С₃Н₈+ 307С₄Н₁₀+ 377С₅Н₁₂+ 61H₂S, (22)

где Н₂, СО, СН₄ и т. д. - количество компонентов в составе газового топлива, % по объему.

Теплоемкость - количество тепла, необходимое для нагрева вещества на 1 ⁰С. Удельной теплоемкостью называется количество, необходимое для нагрева единицы массы или единицы объема вещества на 1° С. Соответственно размерность теплоемкости в системе единиц МКГСС - ккал/(кг·°С), ккал/(м³ ·°С); в СИ - дж/(кг·°К), дж/(м³·°К).

Теплоемкость газов зависит от внешних условий, при которых тепло подводится к газу или отводится от него. Если тепло подводится к газу, находящемуся в сосуде с постоянным объемом, то оно расходуется на приращение внутренней энергии газа. В этом случае говорят о теплоемкости при постоянном объеме; обозначаемой с_υ. Если же тепло подводится к газу, находящемуся при постоянном давлении, то оно расходуется не только на приращение внутренней энергии, но и на работу расширения газа. В этом случае говорят о теплоемкости при постоянном давлении, обозначаемой с_р. Следовательно, теплоемкость при постоянном давлении больше теплоемкости при постоянном объеме.

В расчетах часто применяют отношение теплоемкостей

К = c_p/ с_υ (23)

где К - показатель адиабаты, равный для двухатомных газов (азот, воздух, кислород) 1,4, а для трех- и многоатомных газов 1,29-1,30.

С повышением температуры теплоемкость газов повышается, поэтому в определенном интервале температур пользуются средней теплоемкостью.

Влажность газа, или влагосодержание, влияет на его физик химические свойства. Практически все реальные газы не являются абсолютно сухими и содержат водяные пары. Различают абсолютную и относительную влажность газа. Абсолютная влажность - это масса водяных паров в единице количества газа, г/м³ или г/кг. Относительная влажность φ - это отношение фактического содержания водяного пара в газе к максимально возможно содержанию его при данных температуре и давлении. Относительную влажность выражают в процентах (%).

φ = (G_n/G_н)·100 (24)

где G_n - фактическое содержание водяных паров в газе, г/м³; G_н - насыщающее содержание водяных паров при данных температуре и давлении, г/м³.

Под упругостью насыщенных паров жидкости понимается давление, при котором жидкость и пары ее находятся в равновесии при данной температуре. Как видно из табл. 2, с повышением температуры упругость водяных паров возрастает.

При охлаждении не насыщенного водяными парами газа относительная влажность его повышается, и при определенной температуре он становится насыщенным водяными парами. Дальнейшее охлаждение газа ведет к конденсации водяных паров. Температура начала конденсации называется точкой росы при данном давлении. Зная относительную влажность газа, по данным табл.2 можно определить абсолютную влажность и количество конденсирующейся влаги при охлаждении газа до определенной температуры (см. пример. 2).

Таблица 3

Упругость водяных паров и влагосодержание в состоянии насыщения

Температура, 0С	Упругость водяных паров, мм.рт.ст.	Содержание водяных паров, г/м3	Температура, 0С	Упругость водяных паров, мм.рт.ст.	Содержание водяных паров, г/м3
-25	0,47	0,55	5	6,54	6,84
-20	0,77	0,88	10	9,21	9,4
-15	1,24	1,38	15	12,79	12,8
-10	1,95	2,14	20	17,54	17,3
-5	3,01	3,24	25	23,76	23,0
0	4,58	4,84	30	31,82	30,3

Пример №1. Смесь состоит из 45 кг пропана и 35 н-бутана. Определить среднюю молекулярную массу смеси.

Решение. Используем формулу (15)

Пример №2. В газопроводе низкого давления находится 3000 м² газа с температурой 25 ⁰С и относительной влажностью 50%. Сколько образуется конденсата при охлаждении газа до 5° С?

Решение. Согласно табл. 3 при 25° С максимальное содержание насы­пного водяного пара G_H = 23 г/м³, следовательно, при относительной влажности φ= 50% фактическое влагосодержание по формуле (24) G_П =50/(100G_н) =11,5 г/м³. При охлаждении до 5 ⁰С в газе в виде паров останется влаги (см. табл. 3) G_n = 6,84 г/м³, а остальная вода выпадет в виде конденсата, т. е. g_конд= 11,5-6,84 = 4,66 г/м³. Общее количество выпавшего конденсата G_конд.= 4,66 · 3000 = 13980 г, или около 14 л.

Задачи

№1. Смесь состоит из 60 кг н-пентана, 40 кг н-гексана и 20 кг н-гептана. Определить среднюю молекулярную массу смеси.

№2. Определить среднюю молекулярную массу смеси бензола с изооктаном, если мольная доля бензола составляет 0,35, изооктана 0,28.

№3. Смесь состоит из 2300 кг толуола и 1230 кг н-октана. Определить среднюю молекулярную массу смеси.

№4. Определить молекулярную массу нефтяного газа следующего состава:

Компоненты газовой смеси	Концентрация компонента, мольные доли	Молекулярная масса компонента
С1	0,950	16
С2	0,025	30
С3	0,012	44
С4	0,009	58
С5	0,004	72