Какое свойство газов способствует их применению 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 газов.
Как топливо применяют природные газы горючие и получаемые искусственно в виде основной (генераторный газ) или побочной (коксовый, доменный и др. газы) продукции. Основные потребители природного газа в чёрной металлургии — доменное и мартеновское производство. С использованием природного газа производится ежегодно около 60% цемента, 60% стекла, свыше 60% керамзита, свыше 60% керамики. Перевод стекловаренных печей на природный газ значительно улучшает технико-экономические показатели производства стекла. В топливном балансе машиностроительной промышленности на долю горючего газа приходится около 40%. Основными потребителями являются нагревательные и термические печи. Применение в этих печах природного газа 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 удельный вес природного газа составляет около 20%. Применение природного газа 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 газа 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 газа открывает широкие возможности для создания простых, менее металлоёмких и более экономичных котлов (паровых и водогрейных), работающих на природном газе.
Некоторые газы являются в то же время исходным сырьём для технологических процессов в химической промышленности (из них вырабатывается около 200 видов различных химических продуктов); на природном газе работает ряд крупнейших химических комбинатов России.
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. Большое значение имеют также многие др. газы: ацетилен, хлор, фтор и редкие газы.
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 производится путём длительного нагрева её в атмосфере газа, диссоциирующих с выделением атомарного углерода. В установках промышленного типа для газовой цементации применяют: природный газ, бутан-пропановую смесь и др. Во избежание чрезмерного выделения сажи (или смолистых веществ) к этим газам подмешивают генераторный газ или дымовые газы, очищенные от углекислого газа и паров воды.
Газы 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 газов (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 газом (например, водородом). При этом вытесняется находящийся в аппарате атмосферный воздух и предотвращается образование взрывчатой смеси газа — 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 газов позволяет значительно (до 30%) увеличить световую отдачу ламп накаливания, что имеет большое значение, т. к. на нужды освещения расходуется около 20% всей вырабатываемой энергии. Широко распространено наполнение ламп накаливания аргоно-азотной смесью, особенно подходящими наполнителями являются криптон и ксенон, обладающие высокой плотностью и минимальной теплопроводностью.
Газы 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 газы: продукты горения (дымовые газы), 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 газы распространены в газовых турбинах, в огнестрельном оружии, в реактивных двигателях и снарядах, а также в двигателях внутреннего сгорания. Для наполнения дирижаблей и аэростатов используются газы, имеющие невысокую плотность.
Электрический разряд в газах, (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.
газ топливо химический электрический
Используемая литература:
- 1. Кортунов А. К., Газовая промышленность, М.;
- 2. Спейшер В. А., Сжигание газа на электростанциях и в промышленности, 2 изд., М.;
- 3. Использование газа в промышленных и энергетических установках, в сборнике: Теория и практика сжигания газа, в. 3–4, Л.;
- 4. Рябцев И. И., Волков А. Е., Производство газа из жидких топлив для синтеза аммиака и спиртов. М..
Источник
>>> Перейти на мобильный размер сайта >>>
Учебник для 10 класса
ФИЗИКА
- Газы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в очень большом числе технических устройств. Все особенности поведения газов, позволяющие использовать их на практике, можно установить с помощью уравнения состояния (3.9.9).
Газ — сжатое упругое тело
Как следует из уравнения состояния, давление, оказываемое газом на стенки сосуда, равно
Это давление исчезает лишь при m —> 0 (газа почти нет) или V —> ∞ (газ неограниченно расширился), а также при Т —> 0 (молекулы газа не движутся).
Сила давления газа на стенки F = pS, представляет собой частный вид силы упругости. Газ подобен пружине, которая всегда сжата. Важно, что газ малой массы способен создавать сравнительно большое давление.
Управление давлением газа
Давление газа можно менять, изменяя его объем или температуру. Кроме того, силу давления газа легко регулировать и не меняя его объема или температуры. Газ — это сжатая «пружина», «жесткость» которой можно быстро изменить, используя прямо пропорциональную зависимость давления газа от его массы (см. формулу (3.11.1)). Увеличивая массу газа в любом замкнутом пространстве, мы можем увеличить давление. Так и поступают, например, накачивая автомобильную шину или футбольный мяч воздухом. Выпуская часть газа из сосуда, уменьшают его давление.
Большая сжимаемость газов
Газы, особенно при давлениях, близких к атмосферному, по сравнению с жидкостями и твердыми телами легко сжимаются. Это означает, что небольшое изменение давления заметно меняет их объем. И наоборот, значительное изменение объема не приводит к большому изменению давления.
Благодаря большой сжимаемости газа сила его давления мало меняется при расширении или сжатии. Поэтому газ, толкая поршень, совершает значительную работу на большом отрезке пути.
Хорошая сжимаемость газов позволяет запасать их в больших количествах в баллонах, удобных для хранения. Сжатый природный газ транспортируется по трубам на расстояния в тысячи километров.
Зависимость объема газа от температуры
Объем газов значительно увеличивается при увеличении температуры. При нагревании на 1 °С объем газа при постоянном давлении увеличивается в сотни раз больше, чем объем жидких и твердых тел.
Все перечисленные свойства газов используются в технике.
Газ — амортизатор
Свойство газа не сохранять свою форму, малая его плотность и возможность регулировки давления делают газ одним из самых совершенных амортизаторов.
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.
Рис. 3.16
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 газе, и в тепловых двигателях.
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).
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 низком 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 n = 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.
Источник
Газы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в очень большом числе технических устройств.
Газ — амортизатор. 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 шнне сжимается и толчок, получаемый осью колеса, значительно смягчается (рис. 35). Если бы шина была жесткой, то ось подпрыгнула бы вверх на высоту бугорка.
Газ — рабочее тело двигателей. 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.
Рис. 35
Рис. 36
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 Па 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?
Источник