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

Темпе­ратура, °С	СО	Н2	H2S	СН4	С2Н4	C2H6	С3Н8	С4Н10	С5Н12
0	1,299	1,277	1,513	1,544	1,792	2,227	3,039	4,128	5,129
100	1,302	1,292	1,543	1,653	2,031	2,525	3,450	4,517	5,837
200	1,307	1,297	1,574	1,765	2,257	2,800	3,860	5,255	6,515
300	1,317	1,300	1,608	1,890	2,466	3,077	4,271	5,774	7,135
400	1,329	1,302	1,644	2,019	2,658	3,333	4,681	6,268	7,742
500	1,343	1,305	1,682	2,144	2,839	3,571	5,095	6,691	8,257
600	1,357	1,308	1,719	2,264	3,006	3,793	5,431	7,114	8,784
700	1,372	1,312	1,756	2,381	3,157	4,003	5,724	7,486	9,232