Содержание

Введение……………………………………………………………………...3

1. Общие сведения о газах……………………………………………………..5

2. Методы и приборы для измерения давления газа…………………………12

Заключение…………………………………………………………………..28

Список использованных источников………………………………………29

ПРИЛОЖЕНИЯ……………………………………………………………..30

Введение

Как известно из школьного курса физики газы – это вещества, которые не имеют определенной формы и объема и целиком заполняют сосуд, в котором находятся. В газе существует определенное давление, действующее равномерно во все стороны.

Газы, как и все прочие вещества, обладают характерными для них физическими и химическими свойствами.

Физические свойства описываются известными законами Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля и Клапейрона – Менделеева.

Объем, занимаемый газами и число молекул, содержащееся в одном его моле, описывается числом Авогадро.

Кроме того газы имеют химические свойства, определенные их составом.

В природе в нормальных условиях (при комнатной температуре и атмосферном давлении) сравнительно немногие химические вещества находятся в газообразном состоянии. К газообразным простым веществам принадлежат: водород, кислород, азот, фтор, хлор и газы из элементов VIII группы таблицы Д. И. Менделеева.

Остальные газообразные вещества состоят из двух и более элементов, например СО, СО₂, СОСl (фосген), СН₃С1 (хлористый метил) и др. Интересно, что водород образует газообразные вещества со многими элементами. Почти со всеми неметаллами водород дает газообразные соединения, большинство из которых обладает неприятным запахом. К числу их можно отнести NH₃, HF, HCl, HBr, H₂S, H₂Se, H₂Te, PH₃, AsH₃, SbH₃, BiH₃ и др. Некоторые из этих соединений (мышьяковистый водород) легко распадаются с выделением водорода. Другие, более устойчивые распадаются при нагревании (метан). Встречаются гидриды неметаллов, которые легко растворяются в воде и дают или кислую (H₂S, HCl, HBr), или щелочную (NH₃) реакцию. Многие из них обладают восстановительной способностью (Н₂Те, HI, H₂S, H₂Se, РН₃ и др.). Некоторые гидриды легко окисляются, загораясь в воздухе (SiH₄, SbH₃).

С такими элементами, как углерод и бор, водород дает несколько газообразных соединений (углеводороды и бораны). Наибольшее значение имеют разнообразные углеводороды состава С_nН_2n+2, С_nН_2n, С_nН_2n-2.

Все углеводородные газы горят на воздухе, образуя пламя различной яркости. Метан, в котором 25% водорода, горит на воздухе светящимся пламенем, а ацетилен, содержащий 7,9% водорода, горит коптящим пламенем. Копоть вызывается избыточным количеством углерода в молекуле, а чтобы ее избежать, следует пользоваться особыми горелками, в которых сгорание осуществляется при избытке воздуха.

Газы, особенно углеводородные, нашли широкое применение в промышленности и в быту. По этой причине возникла необходимость в приборах, измеряющих давление газов.

Методам и средствам измерения давления газа и посвящена данная курсовая работа. В ней рассматриваются общие характеристики газов, методы измерения их давления и применяющиеся для этого приборы.

1. Общие сведения о газах

Прежде чем рассматривать законы статики и динамики газов и, связанные с ними вопросы измерения давления, вспомним о свойствах газов.

Газы сжимаемые и несжимаемые:

Газы, находящиеся под давлением, которое незначительно отличается от атмосферного (например, нагреваемые в открытых сосудах), можно рассматривать, как несжимаемые среды. Общим признаком не сжимаемости газов является условие ρ=const, то есть плотность газа постоянна. Это проявляется при обычных или дозвуковых скоростях истечения.

Явления сжимаемости газов проявляется при высоких (сверхзвуковых) скоростях, когда r¹const.

Газы реальные и идеальные:

Всем жидкостям и газам присуще свойство вязкости, т. е. способность оказывать сопротивление относительному движению (перемешиванию) частиц. Однако в некоторых газах (О₂, N₂, CO, CO₂ и др.) свойство вязкости проявляется слабо и им без большой погрешности можно пренебречь.

Было предложено и применено понятие идеального газа – абстрактной среды, лишенной свойства вязкости.

Из уравнения состояния идеальных газов (Клайперона - Менделеева) для одного и того же количества газа следует:

 =  = const, (1)

где V_o – объем, занимаемый газом при нормальных условиях, т. е. при Т_о=273^o К и при атмосферном давлении Р_о=101332 Па (»10⁵ Па)

V – объем газа при давлении Р и температуре Т=Т_о+t₁=273+t₁ (здесь t₁ – температура по шкале Цельсия, ⁰С).

Отсюда следует зависимость расхода идеального газа от температуры и давления:

V=V_o(1+βt)P_o/P, (2)

где b – коэффициент объемного расширения, град^-1;

b – относительное увеличение объема при нагреве газа на 1 град:

b = * (3)

Для идеального газа при постоянном давлении на основании закона Гей-Люссака можно записать:

= (4)

Откуда

b = (5)

При 0 ⁰С

b =, град–1

Учитывая, что отношение массы газа М к его объему V, есть плотность r, из уравнения (2) найдем:

ρ = ρ_o , кг/м³ (6)

r_о – плотность газа при нормальных условиях, кг/м³;

r – плотность газа при давлении Р и температуре t.

Если под V понимать секундный расход (объем) газа (м³/с) и учесть, что скорость W= , то при F=const, зависимость скорости газа от температуры и давления выражается уравнением:

W=W_o(1+βt)P_o/P, (7)

где W_o – скорость газа при нормальных условиях, м/с.

Если Р=Р_о, то

23. =_o(1+βt) (8)

В реальных газах молекулы подвержены силам взаимодействия и эти газы обладают вязкостью, т. е. свойством оказывать сопротивления относительно движению частиц.

При движении газа вязкость проявляется в возникновении сил внутреннего трения, что сопровождается потерей энергии.

С увеличением температуры вязкость газов растет.

Ламинарное и турбулентное движение газов:

В зависимости от характера движения в трубах различают ламинарное (или слоистое) и турбулентное (или вихревое) движение газов.

Ламинарное называют такое движение, при котором струйки газа перемещаются параллельно одна другой, не пересекаясь.

Характерной особенностью ламинарного движения является параболическое распределение скоростей по сечению потока, обусловленное трением о поверхность канала прилегающего к ней слоя газа и последующих слоев друг о друга.

W_ср=0,5W_max W_ср=0,76W_max

При турбулентном режиме в потоке возникает множество вихрей, что приводит к интенсивному перемешиванию газа. Распределение скоростей при этом более равномерное и имеет вид усеченной параболы. Возникает вопрос: от чего зависит характер движения газов и как определить, что это ламинарное или турбулентное движение.

Пределы существования ламинарного и турбулентного движения были установлены Рейнольдсом (1883 г.), который показал, что характер движения газов зависит от соотношения сил инерции и сил внутреннего трения (вязкости) в потоке. Это соотношение характеризуется безразмерным комплексом, названным впоследствии критерием Рейнольдса:

R_e = , (9)

где d – гидравлический диаметр канала;

d=4F/П, (10)

где F – площадь сечения канала;

П – периметр для некруглого сечения.

Для круглого сечения

d= (11)

Установлено, что ламинарное движение имеет место при Re < 2100, турбулентное – при Re > 2300.

Давление газов и его разновидности:

Как известно, давление – это сила, действующая на единицу площади. Различают давление абсолютное и избыточное. Избыточное давление – разница между давлением в какой-либо емкости, газопроводе и т. д. и в окружающей атмосфере. Если давление в емкости меньше атмосферного (отрицательное избыточное давление), то его называют разрежением.

Различают три основных вида давления: геометрическое, статическое, динамическое давление.

Геометрическое давление обусловлено стремлением горячих газов подняться вверх. Если в результате разности плотностей окружающего воздуха и газа последний переместится на высоту Н, то геометрическое давление:

Р_геом = g*H(ρ_в – ρ_г), (12)

где: g – ускорение силы тяжести, м/с²;

r_в,r_г – плотность, соответственно воздуха и газа, кг/м³;

Н – расстояние, на которое переместился газ, м.

Статическое давление Р_ст. – это разность давлений заключенного в сосуде газа и окружающей среды. Оно может быть как положительным, так и отрицательным. Его величина определяется из опыта с помощью U – образного манометра (пьезометра). Манометр устанавливают так, чтобы один конец сообщался с атмосферой, а выходное отверстие другого конца было расположено перпендикулярно направлению потока газа.

Динамическое давление наблюдается при движении газа.

Оно равно:

• _дин = *ρ (Н/м²) (13)

Динамическое давление обусловлено скоростью потока и может быть определено экспериментально (рис 2.).

Существуют специальные приборы, позволяющие определить динамическое давление газового потока. Это напорные трубки или трубки Пито.

Статистическое давление характеризует тот запас потенциальной энергии, которой располагает 1 м² газовой системы. Представьте воздушный шар – давление на стенки – статическое давление.

Динамическое давление – это кинетическая энергия потока. В процессе движения газа на преодоление всевозможных сопротивлений затрачивается часть кинетической энергии, убыль которой восстанавливается за счет запаса потенциальной энергии (статического давления), например, от вентилятора создается избыточное статическое давление при движении газа по газопроводу.

Единицы измерения давления:

1атм = 1 кг/см²;

1атм = 760 мм. рт. ст.

1 атм = 10⁴ кг/м² (мм. в. ст.) * 9,81 »10⁵н/м² (Па).

Статика газов:

Статика газов изучает равновесие (состояние покоя) газов. Основным уравнением для статики газов является уравнение Эйлера.

На любой объем покоящегося газа действуют только силы тяжести и давления. Силы инерции и трения проявляются лишь при движении среды.

ρg =  , (14)

где r – плотность газа, кг/м³;

g – ускорение силы тяжести, м/с²;

dp – изменение (приращение) давления при изменении высоты столба газа на величину dz,

в целом  – градиент давления.