Тепловые свойства газов

Тепловые свойства газов определяются их теплоемкостью, теп­лопроводностью, теплосодержанием и теплотой сгорания.

Теплоемкостью газа называется его способность при нагрева­нии поглощать теплоту. Теплоемкость газа С можно выразить отно­шением подведенного к газу количества теплоты ∆Q к изменению температуры ∆Т:

С=lim ∆Q/∆Т,

∆Т→0

Теплоемкость газа представляет собой количество теплоты, не­обходимое для нагрева газа на 1 К. Единица измерения теплоемко­сти — Дж/К. Если теплоемкость отнести к количеству газа, то по­лучим удельную теплоемкость.

Удельной теплоемкостью называется отношение подведенного к газу количества теплоты к произведению единицы количества газа и изменения его температуры.

В зависимости от того, что принимается за единицу количества газа, удельная теплоемкость называется массовой с_т, Дж/(кг•К), молярной с_м, Дж/моль•К), объемной С_V, Дж/(м³•К). Указанные теп­лоемкости связаны друг с другом следующими соотношениями:

C_m = C_M /M, С_V=C_M/V_M, C_M = C_mM = C_VV_M

где М — молярная масса, кг/моль; V_M — молярный объем, м³/моль (для идеального газа при стандартных условиях V_M ~ 22,4•10^-3 м³/моль).

Удельная теплоемкость зависит от температуры. Различают удель­ные теплоемкости при постоянном объеме с_v и при постоянном дав­лении с_р.

Из термодинамики известно, что в случае нагревания газа при постоянном объеме теплота расходуется на увеличение только внут­ренней энергии. При нагревании газа при постоянном давле­нии теплота расходуется также и на работу расширения. Сле­довательно, с_р > с_v. Для идеального газа работа расширения рав­на универсальной газовой постоянной R и справедливо уравнение:

с_р - с_v = R

Отношение удельной теплоемкости при постоянном давлении к удельной теплоемкости при постоянном объеме называется по­казателем адиабаты

с_р / с_v = К.

Массовая и объемная теплоемкости с повышением температу­ры возрастают, а с увеличением молекулярной массы уменьшают­ся. Показатель адиабаты с повышением температуры и увеличени­ем молекулярной массы уменьшается. Для идеального газа он при­мерно равен 1,667, для двухатомных газов — 1,41, для трехатом­ных — 1,34.

Различают истинную с и среднюю с' теплоемкости.

Истинной теплоемкостью называется количество теплоты, необходимое для изменения температуры единицы количества газа на 1 К при дан­ных р и Т или V и Т.

Средняя теплоемкость — это количество теплоты, необходимое для изменения температуры единицы количества газа на 1 К в за­данном интервале температур, т.е. от Т₁ до Т. Среднюю объемную теплоемкость при постоянном давлении газа можно определить по средним теплоемкостям компонентов и их объемным долям:

с'_р = 0,01 (с'_Н2 *Н₂+ с'_СО *СО+ с'_СН4 *СН₄ +….+ с'_n *N₂)

где с'_Н2 с'_СО с'_СН4 с'_n — средние объемные теплоемкости ука­занных в индексах компонентов; Н₂, СО, СН₄... N₂ — объемные доли компонентов, %. Значения средней объемной теплоемкости горючих газов и про­дуктов сгорания приведены в табл. 5.6.

Теплопроводность газа — это его способность проводить тепло­ту, т.е. осуществлять молекулярный перенос энергии. Молекулы участков газа, где температура выше, обладают большей энергией и передают ее соседним молекулам, обладающим меньшей энер­гией. Это приводит к выравниванию разности температур ∆Т, но передача теплоты не связана с переносом частиц.

Таблица 5.6

Средняя объемная теплоемкость при постоянном давлении кДж /(м³К) горючих газов в интервале температур от о до t