Общие сведения о применении газов в технике. Презентация на тему "основные газовые законы" Использование свойств газа в технике

Газы в технике Газы в технике, применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности: химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов, создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.): физической среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах). В технике используется свыше 30 различных Г.

Как топливо применяют природные газы горючие и получаемые искусственно в виде основной (генераторный Г.) или побочной (коксовый, доменный и др. Г.) продукции. Основные потребители природного Г. в чёрной металлургии - доменное и мартеновское производство. С использованием природного Г. производится ежегодно около 60% цемента, 60% стекла, свыше 60% керамзита, свыше 60% керамики. Перевод стекловаренных печей на природный Г. значительно улучшает технико-экономические показатели производства стекла. В топливном балансе машиностроительной промышленности на долю горючего Г. приходится около 40%. Основными потребителями являются нагревательные и термические печи. Применение в этих печах природного Г. вместо др. видов топлива позволяет снизить стоимость нагрева, улучшить его качество, повысить кпд печей и создать более благоприятные санитарно-гигиенические условия в производственных помещениях. В топливном балансе электростанций СССР удельный вес природного Г. составляет около 20%. Применение природного Г. на электростанциях даёт значительный эффект. Кпд котельных установок на электростанциях при переводе с твёрдого на газовое топливо увеличивается на 1-4%; уменьшается на 21-26% количество обслуживающего персонала. Суммарное снижение расхода топлива за счёт повышения кпд и снижения расхода электроэнергии на собственные нужды составляет 6-7%. Сжигание Г. в топках котлов малой производительности увеличивает кпд по сравнению с котлами, использующими твёрдое топливо, на 7-20% (в зависимости от сорта топлива) и позволяет повысить производительность на 30% и более. Использование природного Г. открывает широкие возможности для создания простых, менее металлоёмких и более экономичных котлов (паровых и водогрейных), работающих на природном Г.

Некоторые Г. являются в то же время исходным сырьём для технологических процессов в химической промышленности (из них вырабатывается около 200 видов различных химических продуктов); на природном Г. работает ряд крупнейших химических комбинатов СССР.

Из числа Г., используемых в качестве химических агентов, воздух (атмосферный или обогащенный кислородом) и кислород получили наибольшее распространение в металлургических, химических и смежных с ними отраслях промышленности (см. Воздух и Кислород в технике). Большое значение имеют также многие др. Г.: ацетилен, хлор, фтор и редкие Г.

При газовой сварке большей частью используется пламя ацетилено-кислородной смеси, позволяющее развивать очень высокую температуру (около 3200 °С). В отдельных случаях применяют атомноводородную сварку, основанную на нагреве металла водородом, превращенным в атомарное состояние под действием электрической дуги.

Тепловую обработку металлов в печах часто сопровождают воздействием химических агентов, находящихся в газообразном состоянии. Насыщение поверхностного слоя стали углеродом (см. Цементация ) производится путём длительного нагрева её в атмосфере Г., диссоциирующих с выделением атомарного углерода. В установках промышленного типа для газовой цементации применяют: природный Г., бутан-пропановую смесь и др. Во избежание чрезмерного выделения сажи (или смолистых веществ) к этим Г. подмешивают генераторный газ или дымовые газы, очищенные от углекислого газа и паров воды.

Г. как химические агенты применяются также в практике химико-термической обработки поверхности стали при её азотировании , цианировании , алитировании , хромировании и др. При газовой цементации стали алюминием (или хромом) её нагревают в парах хлористого алюминия (хрома). Азот , генераторный газ из антрацита или древесного угля, продукты горения некоторых Г. (после удаления из них углекислого газа и паров воды) и продукты диссоциации аммиака в металлообрабатывающей промышленности служат в качестве специальных атмосфер для борьбы с окислением и обезуглероживанием металлов, которые происходят при их нагреве в атмосфере воздуха или дымовых газов.

В качестве инертных веществ для продувки взрывоопасной аппаратуры (газгольдеров, газоочистных коробок, коммуникаций и т. п.) применяют водяной пар, углекислый газ и азот, а также смесь углекислого газа с азотом, например продукты горения газообразного топлива, сжигаемого с малым избытком воздуха. Технологические аппараты большой ёмкости продуваются инертными газами перед их заполнением Г. (например, водородом). При этом вытесняется находящийся в аппарате атмосферный воздух и предотвращается образование взрывчатой смеси Г. - воздух.

В электроламповой промышленности для наполнения ламп накаливания применяются азот, криптон, ксенон и др. Наполнение ламп накаливания инертным газом уменьшает скорость испарения нити и т. о. увеличивает срок службы ламп.Использование для этих целей некоторых редких Г. позволяет значительно (до 30%) увеличить световую отдачу ламп накаливания, что имеет большое значение, т. к. на нужды освещения расходуется около 20% всей вырабатываемой в СССР энергии. Широко распространено наполнение ламп накаливания аргоно-азотной смесью, особенно подходящими наполнителями являются криптон и ксенон, обладающие высокой плотностью и минимальной теплопроводностью.

Г. применяются также для интенсификации некоторых биохимических процессов, Углекислый газ и чистые продукты горения бессернистого топлива могут быть и пользованы в качестве углекислого удобрения. Повышенное содержание углекислого газа (до 0,3%) в атмосфере теплиц и оранжерей ускоряет рост и увеличивает плодоношение некоторых растений. Дозревание сорванных овощей и плодов (томатов, яблок и др.) можно ускорить хранением их в атмосфере этилена.

В качестве теплоносителей широко распространены следующие Г.: продукты горения (дымовые Г.), воздух и реже газообразные продукты экзотермических процессов (окисления аммиака, получения серного ангидрида и др.). Дымовые газы как теплоноситель используют: для непосредственного обогрева изделий или материалов в печах и сушилках; для получения и подогрева промежуточных теплоносителей (водяного пара, горячей воды, воздуха и др.). Для регулирования процесса нагрева дымовыми газами их можно разбавлять воздухом или отходящими газами. Иногда дымовые газы служат для транспортировки угольной пыли и её подсушки во взвешенном состоянии, В этих случаях дымовые газы являются не только теплоносителем, но и физической средой для переноса твёрдых тел, находящихся в пылевидном состоянии. Воздух как промежуточный теплоноситель используют в тех случаях, когда недопустимо загрязнение нагреваемого продукта сажей и золой, содержащимися в некоторых дымовых газах. Чаще всего воздух как теплоноситель применяется в сушилках и в некоторых системах отопления помещений.

В качестве рабочих веществ для совершения механической работы Г. распространены в газовых турбинах , в огнестрельном оружии, в реактивных двигателях и снарядах, а также в двигателях внутреннего сгорания. Для наполнения дирижаблей и аэростатов используются Г., имеющие невысокую плотность.

Электрический разряд в Г. (или парах) широко применяется в электротехнике для выпрямления переменного тока, преобразования постоянного тока в переменный, генерации электрических колебаний, освещения газосветными лампами и ми. др. Подбором соответствующих газов или паров металлов можно повышать излучение газосветных ламп на заданном участке спектра. Этим достигается увеличение общей световой отдачи источника света (см. Электрический разряд в газах , Газосветная трубка ).

Лит.: Кортунов А. К., Газовая умышленность СССР, М., 1967; Спейшер В. А., Сжигание газа на электростанциях и в промышленности, 2 изд., М., 1967; Использование газа в промышленных и энергетических установках, в сборнике: Теория и практика сжигания газа, в. 3-4, Л., 1967-68; Рябцев И. И., Волков А. Е., Производство газа из жидких топлив для синтеза аммиака и спиртов. М., 1968.

В. А. Спейшер.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Газы в технике" в других словарях:

Газообразные вещества, способные гореть. В широком смысле слова к Г. г. относятся водород, окись углерода, сероводород, газообразные углеводороды (например, метан, этан, этилен). В технике под Г. г. обычно понимают природные и… …

Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом), агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им… … Большая советская энциклопедия

I Газы (французское gaz; название предложено голланским учёным Я. Б. Гельмонтом агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь… … Большая советская энциклопедия

Группа → 18 ↓ Период 1 2 Гелий … Википедия

Источником для получения С. в больших размерах служат, во первых, залежи самородной С. и, во вторых, сернистые и сернокислые металлы, как природные (напр. колчедан, гипс и пр.), так и получаемые искусственно (главным образом как отброс при разных … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Газогенератор, аппарат для термической переработки твёрдых и жидких топлив в горючие газы, осуществляемой в присутствии воздуха, свободного или связанного кислорода (водяных паров). Получаемые в Г. газы называются генераторными. Горение твёрдого… … Большая советская энциклопедия

БЛАГОРОДНЫЕ ГАЗЫ - (см.) простые вещества, образованные атомами элементов главной подгруппы VIII группы (см.): гелий, неон, аргон, криптон, ксенон и радон. В природе они образуются при различных ядерных процессах. В большинстве случаев их получают фракционной… … Большая политехническая энциклопедия

I В технике Ц. называется волокнистое вещество, получаемое из растительных тканей и по химическому составу представляющее более или менее чистую клетчатку (см.). В настоящей статье рассматривается получение Ц. из дерева. Производство Ц. было… … Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

Рис. 3.16
Вот как работает автомобильная или велосипедная шина. Когда колесо наезжает на бугорок, шина с находящимся в ней воздухом деформируется (рис. 3.16) и толчок, получаемый осью колеса, значительно смягчается. Если бы шина была жесткой, то ось подпрыгнула бы вверх на высоту бугорка или еще больше.
Газ- рабочее тело двигателей
Большая сжимаемость газов и ярко выраженная зависимость их давления и объема от температуры делают газ «удобным» рабочим телом в двигателях, работающих на сжатом га-зе, и в тепловых двигателях.
Свойство газа не сохранять свою форму, малая его плотность и возможность регулировки давления делают газ одним из самых совершенных амортизаторов.

В двигателях, работающих на сжатом газе, в частности на сжатом воздухе, газ (воздух) при расширении вследствие хорошей сжимаемости совершает работу почти при постоянном давлении. Сжатый воздух, оказывая давление на поршень, открывает двери в автобусах, поездах метро и электричках. Сжатым воздухом приводят в движение поршни воздушных тормозов железнодорожных вагонов и грузовиков. Пневматический молоток и другие пневматические инструменты приводятся в движение сжатым воздухом.
Даже на космических кораблях имеются небольшие реактивные двигатели, работающие на сжатом газе - гелии. Они ориентируют корабль нужным образом.
В двигателях внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, самолетах и в реактивных двигателях в качестве рабочего тела, приводящего поршень, турбину или ракету в движение, используют газы высокой температуры.
При сгорании горючей смеси в цилиндре (например, паров бензина и воздуха) температура резко увеличивается, давление на поршень растет и газ, расширяясь, совершает работу на всей длине рабочего хода поршня (рис. 3.17).
Практически только газ можно эффективно использовать в качестве рабочего тела в двигателях. Нагревание жидкого или твердого тела до такой же температуры, как и газа, вызвало бы лишь незначительное перемещение поршня.
Любое огнестрельное оружие в сущности является тепловой машиной. Рабочее тело здесь тоже газ - продукты сгорания взрывчатых веществ. Сила давления газа выталкивает пулю из канала ствола или снаряд из дула орудия. И существенно, что эта сила совершает работу на всей длине канала. Поэтому скорости пули и снаряда оказываются огромными: сотни метров в секунду.
Разреженные газы
Полезные свойства газов, с успехом используемые в технике, в некоторых случаях играют отрицательную роль. От газа трудно избавиться, т. е. получить газ в сосуде при очень низ- ком давлении - в состоянии вакуума, когда молекулы газа сталкиваются не друг с другом, а только со стенками сосуда.
Высокий вакуум нужен во многих случаях и главным образом в электронно-лучевых трубках и других вакуумных приборах. Иногда приходится создавать вакуум в очень больших объемах, например в огромных ускорителях элементарных частиц или для имитации космического пространства. Один из самых больших имитаторов в Хьюстоне (США) имеет диаметр 22 м и высоту 15-этажного дома (40 м). Когда астронавты высаживались на Луне, дублирующий экипаж проделывал те же операции в имитаторе. Это позволяло направлять действия астронавтов в случае непредвиденных аварий.
Высокий вакуум нужен и для многих других целей, в частности для выплавки свободных от оксидов металлов, создания термоизоляции, например в термосах.
Обычные поршневые насосы из-за просачивания газов между поршнем и стенками цилиндра становятся неэффективными. Получить с их помощью давление ниже десятых долей миллиметра ртутного столба не удается. Приходится для откачки газов применять различные сложные устройства.
В настоящее время при температуре 30 К достигнуты давления до 10~12 Па. При охлаждении до температуры жидкого гелия (= 5 К) давление должно было бы составлять 10~31 Па. Такое давление уже невозможно измерить. Концентрация газа при таком давлении п ~ 3 10"11 м~3. Это означает, что, например, через куб со стороной 1 м пролетит молекула 1 раз в 3 года. Даже давление в межгалактическом космическом пространстве намного больше: 10 27 Па. А внутри нашей галактики давление составляет 10~15 Па.

Слайд 2

Цели урока:

изучить газовые законы; научиться объяснять законы с молекулярной точки зрения; изображать графики процессов; продолжить обучение решать графические и аналитические задачи, используя уравнение состояния и газовые законы.

Слайд 3

Что является объектом изучения МКТ? Что в МКТ называют идеальным газом? Для того чтобы описать состояние идеального газа используют три термодинамических параметра. Какие? Назовите микроскопические параметры идеального газа и макроскопические параметры. Как создаётся давление? Как термодинамический параметр давления связан с микроскопическими параметрами? Как объём связан с микроскопическими параметрами?

Слайд 4

Изопроцессы в газах

Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, называют изопроцессами. Рассмотрим следующие изопроцессы:

Слайд 5

Газовый закон –количественная зависимость между двумя термодинамическими параметрами газа при фиксированном значении третьего.

Газовых закона, как и изопроцесса – три. Первый газовый закон был получен в 1662 году физиками Бойлем и Мариоттом, Уравнение состояния – в 1834 году Клапейроном, а более общая форма уравнения – в 1874 году Д.И.Менделеевым.

Слайд 6

План изучения нового материала

Определение процесса, история открытия Условия применения Формула и формулировка закона Графическое изображение Пример проявления

Слайд 7

Изотермический процесс -

процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре. Условия выполнения: Т – const, m – const, хим. состав – const. Р1V1 = Р2V2 или РV=соnst (закон Бойля – Мариотта). Р. Бойль 1662 Э. Мариотт 1676 Если T = const, то приV↓ p, и наоборот V p↓ р, Па 0 V, м³ изотермы Т2 Т1 Т2 >Т1 0 р, Па Т, К 0 V, м³ Т, К

Слайд 8

Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а так же и для их смесей, например, для воздуха.

Пример проявления: А) сжатие воздуха компрессором Б) расширение газа под поршнем насоса при откачивании газа из сосуда.

Слайд 9

Газовые законы активно работают не только в технике, но и в живой природе, широко применяются в медицине. Закон Бойля-Мариотта начинает «работать на человека» (как, впрочем, и на любое млекопитающее) с момента его рождения, с первого самостоятельного вздоха.

Слайд 10

При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (pV=const), и в следствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Применение закона Бойля-Мариотта

Слайд 11

Применение закона Бойля-Мариотта

Другими словами воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выровняются. Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он переходит наружу.

Слайд 12

Изобарный процесс -

процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном давлении. Условия выполнения Р – const, m – const, хим. состав – constV1/T1 = V2/T2 . V/Т = const (закон Гей-Люссака). Ж. Гей-Люссак 1802 Если р = const, то приТ↓ V↓, и наоборот T V V, м³ 0 Т, К изобары р2 р1 р2

Слайд 13

Пример проявления

Расширение газа в цилиндре с подвижным поршнем при нагревании цилиндра

Слайд 14

Изохорный процесс -

процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянном объеме. Условия выполнения: V – const, m – const, хим. состав – const. p/Т = const илиP1/T1 = P2/T2(закон Шарля). Ж. Шарль 1787 Если V = const, то приТ↓ p↓, и наоборот T p P, Па 0 Т, К Изохоры V2 V1 V2

Слайд 15

Пример проявления

Нагревание газа любой закрытой емкости, например в электрической лампочке при ее включении.

Слайд 16

1834г. Французский физик Клапейрон, работавший длительное время в Петербурге, вывел уравнение состояния идеального газа при постоянной массе газа (m=const).

Р= n0 к T– основное уравнение М.К.Т., так как n0 – число молекул в единице объема газа n0 = N/VN - общее число молекул т.к. m=const, N - остается неизменным (N= const) P= NкT/VилиPV/T = Nⱪ где Nк - постоянное число, то PV/T = constP1V1 / T1 = P2V2 / T2- уравнение Клапейрона

Слайд 17

Если взять произвольную массу газа m при любых условиях, то уравнение Клапейрона примет вид:

PV = m/M·RT- уравнение Клапейрона-Менделеева Это уравнение в отличии от предыдущих газовых законов связывает параметры одного состояния. Оно применяется, когда в процессе перехода газа из одного состояния в другое меняется масса газа.

Слайд 18

Особенность газообразного состояния

1. В свойствах газов: - Управление давлением газа - Большая сжимаемость - Зависимость p и V от Т 2. Использование свойств газов в технике.

Слайд 19

Использование свойств газов в технике

Газы в технике, применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности: химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов, создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах. Газы также применяют в качестве амортизаторов (в шинах), рабочих тел в двигателях (тепловых на сжатом газе), двигателях внутреннего сгорания.

Газы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в очень большом числе технических устройств.

Большая сжимаемость и легкость газа, возможность регулировки давления делают его одним из самых совершенных амортизаторов, применяемых в ряде устройств.

Вот как работает автомобильная или велосипедная шина. Когда колесо наезжает на бугорок, то воздух в шине сжимается и толчок, получаемый осью колеса, значительно смягчается (рис. 35). Если бы шина была жесткой, то ось подпрыгнула бы вверх на высоту бугорка.

Большая сжимаемость и сильно выраженная зависимость давления и объема от температуры делают газ незаменимым рабочим телом в двигателях, работающих на сжатом газе, и в тепловых двигателях.

В двигателях, работающих на сжатом газе, например воздухе, газ при расширении совершает работу почти при постоянном давлении. Сжатый воздух, оказывая давление на поршень, открывает двери в автобусах и электропоездах. Сжатым воздухом приводят в движение поршни воздушных тормозов железнодорожных вагонов и грузовиков. Пневматический молоток и другие пневматические инструменты приводятся в движение сжатым воздухом. Даже на космических кораблях имеются небольшие реактивные двигатели, работающие на сжатом газе – гелии. Они ориентируют корабль нужным образом.

В двигателях внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, самолетах и в реактивных двигателях в качестве рабочего тела, приводящего поршень, турбину или ракету в движение, используют газы высокой температуры. При сгорании горючей смеси в цилиндре температура резко увеличивается до тысяч градусов, давление на поршень растет и газ, расширяясь, совершает работу на длине рабочего хода поршня (рис. 36).

Только газ можно использовать в качестве рабочего тела в тепловых двигателях. Нагревание жидкого или твердого тела до такой же температуры, как и газа, вызвало бы лишь незначительное перемещение поршня.

Любое огнестрельное оружие, в сущности, является тепловой машиной. Сила давления газов – продуктов сгорания взрывчатых веществ – выталкивает пулю из канала ствола или снаряд из дула орудия. И существенно, что эта сила совершает работу на всей длине канала. Поэтому скорости пули и снаряда оказываются огромными сотни метров в секунду.

Разреженные газы. Способность к неограниченному расширению приводит к тому, что получение газов при очень малых давлениях в состоянии вакуума – является сложной технической задачей. (В состоянии вакуума молекулы газа практически не сталкиваются друг с другом, а только со стенками сосуда.)

Обычные поршневые насосы из-за просачивания газов между поршнем и стенками цилиндра становятся неэффективными. Получить с их помощью давления ниже десятых долей миллиметра ртутного столба не удается. Приходится применять для откачки газов сложные устройства. В настоящее время достигнуты давления порядка 10-10 Па (10-12 мм рт. ст.).

Вакуум нужен главным образом в электронных лампах и других электронных приборах. Столкновения электрически заряженных частиц (электронов) с молекулами газа препятствуют нормальной работе этих приборов. Иногда приходится создавать вакуум в очень больших объемах, например в ускорителях элементарных частиц. Вакуум нужен также для выплавки свободных от примесей металлов, создания термоизоляции и т. д.

1. Что называют уравнением состояния? 2. Сформулируйте уравнение состояния для произвольной массы идеального газа. 3. Чему равна универсальная газовая постоянная? 4. Как связаны давление и объем газа при изотермическом процессе? 5. Как связаны объем и температура при изобарном процессе? 6. Как связаны давление и температура при изохорном процессе? 7. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы? 8. Почему в качестве рабочего тела в тепловых двигателях используют только газы?