2. Основные законы газового состояния

Закон Гей–Люссака

Процессы подогрева воздуха в топах и нагревание воздуха в помещениях можно рассматривать как изобарные, т.е. имеющие место при р=const. Записывается в виде:

,

где –коэффициент объемного расширения газа при постоянном давлении, одинаковой для всех газов и равный 1/273К^-1.

Из уравнения состояния идеального газа следует:

или ,

т.е. в изобарном процессе объем газа изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре.

Из первого закона термодинамики следует, что Подводимая к рабочему телу теплота расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы .

Полная работа находится по уравнению:

Закон Шарля

Рассматривает процессы, протекающие при постоянном объеме, т.е. при V=const. Этот процесс совершается, например, в герметически закрытом сосуде при нагревании или охлаждении газа.

Записывается в виде:

.

Из уравнения состояния идеального газа следует:

или .

В изохорном процессе давление газа изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре.

Так как V=const. . Тогда т.е. вся подведенная к рабочему телу теплота расходуется на увеличение внутренней энергии.

Закон Бойля –Мариотта

Рассматривает процессы, протекающие при постоянной температуре, т.е. при Т=const и называемых изотермическими.

Записывается в виде:

Для двух состояний можно записать:

Тогда

т.е.отношение абсолютных давлений обратно пропорционально отношению объемов.

Так как Т=const, то так как внутренняя энергия рабочего тела не изменяется.

Следовательно, вся теплота, сообщенная телу расходуется на совершение внешней механической работы.

Закон Клапейрона

Объединяет перечисленные выше законы. Записывается в виде:

т.е. для данной массы газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру–величина постоянная.

Изменение плотности газов с изменением давления и температуры характеризуется следующим уравнением:

,

где и –плотности газа первого и второго состояний, кг/м³.

В печной теплотехнике принято плотность газов относить к нормальным условиям (0^оС и 760 мм рт.ст или 1,013·10⁵Па ) и обозначить . Для воздуха =1,29 кг/м³; для продуктов сгорания =1,32–1,34 кг/м³.

3.Силы, действующие в газе

Все силы, действующие в реальных газах, можно разделить на поверхностные, пропорциональные величине поверхности (силы давления и силы вязкости), и объемные или массовые, пропорциональные объему или массе газа и действующие на каждую частицу газа, заключенную в данном объеме (например, сила тяжести и сила инерции).

Поверхностные силы, отнесенные к единице поверхности, называют напряжениями (например, касательное напряжение трения).

Движение газов в печах может происходить под действием различных сил. Если это движение происходит под действием сил тяжести, возникших вследствие разности температур газа в различных местах печного объема, движение называется свободным. Движение газов в печах под действием внешних причин (воздействие факела, тяги и т.д.) называется вынужденным.

В зависимости от того, какие причины обуславливают движение газов в печах, различают печи со свободным или вынужденным движением. Подавляющее большинство современных печей относятся к печам с вынужденным движением газов.

Сила давления есть напряжение давления или давление, умноженное на величину поверхности, на которую оно действует.

Статистическое давление в газе есть результат воздействия внешних сил, например, сил тяжести. Так, атмосферное давление газа у поверхности земли является результатом давления столба атмосферы.

Другим примером может служить давление неподвижного горячего газа на стенки сосуда, озображенного на рис.3.1.

Рис. 3.1. Схема к выводу закономерности распределения давлений в сосуде, заполненном лёгким газом

Пусть сосуд наполнен горячими дымовыми газами, плотность которых меньше плотности окружающего воздуха . Очевидно, в плоскости раздела воздуха и газа в сечении z_o давление на стенки сосуда со стороны воздуха и со стороны газа будет одинаковым и равным Р_o. На любом другом уровне, расположенном выше z_o, например, на высоте z, давление на стенку как со стороны газа Р_Г, так и со стороны воздуха Р_В будет меньше, чем на уровне z_o на величину массы соответствующего столба газа и воздуха:

Так как давление на стенку со стороны газа с увеличением высоты расположения рассматриваемой точки уменьшается медленнее, чем со стороны воздуха, то со стороны газа будет избыточное давление по сравнению с атмосферным на этом же уровне.

Па.

Так как плотность дымовых газов в печах меньше, чем плотность окружающего печь воздуха, то давление газов в печи выше уровня пода больше, чем давление воздуха снаружи, если на уровне пода оно одинаково. Поэтому, если в стенках печи имеются отверстия, то через них из печи будет выбиваться газ, причем иногда в довольно больших количествах.

Другой пример. Тело М, обладающее меньшей плотностью, чем окружающий газ, будет испытывать усилие, направленное снизу вверх и стремящееся вытолкнуть тело из слоя газа. Это усилие называют подъемной силой.

Если давление газа на границах какого– нибудь сечения тела М равно

Р₁ и Р₂ (рис.3.2), то величина подъемной силы Q будет зависеть от разности Р₁ – Р₂, различной для различных мест поверхности тела, и может быть найдена путем интегрирования по поверхности тела:

Если плотность газа = const, то

где –объем тела, м³.

Рис. 3.2. Схема к выводу формулы для определения подъемной силы

Сила Q вызывает кажущееся уменьшение массы тела (закон Архимеда) при погружении его в газ.

Некоторые силы возникают только при движении газа или при изменении его скорости (силы инерции).

При перемещении газа вдоль поверхности твердых или жидких тел возникают силы внешнего трения, а при перемещении газа друг относительно друга –силы внутреннего трения (силы вязкости),т.е. силы сопротивления деформации газа.