X بستن تبلیغات
X بستن تبلیغات
header
متن مورد نظر

حالت گازی

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

ارسطو که نظریهای فیلسوفان یونانی پیش از خود را خلاصه کرده بود، عقیده داشت که همه مواد موجود در زمین از چهار عنصر «خاک، آب، آزمایش‌های مربوط به هوا و آتش) حاصل شده است. سه عنصر از چهار عنصر ارسطو به سه حالت ماده ، یعنی جامد، مایع و گاز و عنصر چهارم به انرژی مربوط می شود.
دانشمندان، قرنها گازها را نوعی آزمایش‌های مربوط به هوا یا مخلوطی از آزمایش‌های مربوط به هوا با ناخالصی های گوناگون می دانستند. یوهان وان هلمونت، نخستین کسی که تفاوت اساسی بین گازها را دریافت، در اوایل قرن هفدهم نام گاز را که از کلمه یونانی Chaos گرفته شده ، به آنها اطلاق کرد.ولی تا زمان آنتوان لاوازیه (اواخر قرن هیجدهم) اهمیت کامل این تمایز تشخیص داده نشد. لاوازیه در ۱۷۷۸ بر اساس این واقعیت که آزمایش‌های مربوط به هوا مرکب از گاز اکسیژن و گاز نیتروژن است، تفسیری درست از واکنشهای احتراق به عمل آورد.

مقدمه

ارسطو که نظریهای فیلسوفان یونانی پیش از خود را خلاصه کرده بود، عقیده داشت که همه مواد موجود در زمین از چهار عنصر «خاک، آب، آزمایش‌های مربوط به هوا و آتش) حاصل شده است. سه عنصر از چهار عنصر ارسطو به سه حالت ماده ، یعنی جامد، مایع و گاز و عنصر چهارم به انرژی مربوط می شود.

دانشمندان، قرنها گازها را نوعی آزمایش‌های مربوط به هوا یا مخلوطی از آزمایش‌های مربوط به هوا با ناخالصی های گوناگون می دانستند. یوهان وان هلمونت، نخستین کسی که تفاوت اساسی بین گازها را دریافت، در اوایل قرن هفدهم نام گاز را که از کلمه یونانی Chaos گرفته شده ، به آنها اطلاق کرد.ولی تا زمان آنتوان لاوازیه (اواخر قرن هیجدهم) اهمیت کامل این تمایز تشخیص داده نشد. لاوازیه در ۱۷۷۸ بر اساس این واقعیت که آزمایش‌های مربوط به هوا مرکب از گاز اکسیژن و گاز نیتروژن است، تفسیری درست از واکنشهای احتراق به عمل آورد.

حالت گازی

از مطالعه خواص گازها این نتیجه حاصل می شود که مولکولهای گاز کاملا از یکدیگر جدا بوده، دارای حرکت سریع می باشند. آشناترین گاز یعنی هوا، در واقع مخلوطی از چند گاز است. آزمایش نشان می دهد که از دو (یا چند) گاز می توان به هر نسبت مخلوطی کاملا همگن به دست آورد. ولی چنین تعمیمی در مورد مایعات صدق نمی کند. چون هر گاز را به صورت مولکولهای جدا از هم با فواصل نسبتا زیاد می دانیم، قرار گرفتن مولکولهای یک گاز در میان مولکولهای گاز دیگر امری معقول و بدیهی به نظر می رسد. این مدل مولکولی برای توضیح تراکم پذیری گازها نیز به کار می آید، عمل تراکم ، نزدیکترکردن مولکولهای گاز به یکدیگر است.

گازها در هر ظرفی که وارد شوند، در تمام حجم آن پخش می گردند. گاز معطری که در اتاقی رها می شود، به زودی در تمام قسمتهای آن اتاق قابل تشخیص است. پخش شدن گازها با قبول حرکت دائمی و سریع مولکولهای گاز قابل توجیه است. علاوه بر این مولکولهای گاز ضمن حرکت نامنظم خود به جدار ظرف برخورد می کنند و این برخوردهای بی شمار، بیانگر این واقعیت است که گازها به دیواره های ظرف خود فشار وارد می کنند.

 

 

گاز طبیعی مایع (LNG):

گاز طبیعی چنانچه در فشار اتمسفر تا دمای F º260- سرد شود، به حالت مایع تبدیل می شود. LNG شامل بیش از ۹۵ درصد متان و درصد کمی اتان و پروپان و سایر هیدروکربورهای سنگین تر است. سایر ترکیبات و ناخالصی های گاز طبیعی مانند اکسیژن، آب، گازکربنیک و ترکیبات گوگردی طی فرآیند سرد کردن از گاز طبیعی جدا شده و گاز طبیعی در حالت مایع بدست می آید. البته LNG تا حد ۱۰۰ درصد متان خالص نیز قابل دستیابی است. حجم LNG 600/1 حجم گاز طبیعی و دانسیته آن ۴۲/۰ دانسیته آب است. این ماده، مایعی بی بو، بی رنگ و غیر سمی است و نسبت به فلزات یا سایر مواد حالت خورندگی ندارد. LNG وقتی تبخیر یا با هوا ترکیب شود در دامنه غلظت ۵ تا ۱۵ درصد می سوزد. LNG یا بخار آن در محیط و فضای باز حالت انفجاری ندارد. کلیه آزمایشات انجام شده و خواص LNG، ایمن بودن این سوخت را کاملاً تائید می کند زیرا نشت مایع LNG یا ابربخارات آن به محض تماس با زمین یا در اثر حرارت محیط به سرعت در هوا تبدیل به گاز شده و چون در  این حالت از هوا سبک تر است در محیط پراکنده و منتشر می شود. LNG در وهله اول برای خودروهای سنگین دیزلی (HEAVY DUTY VEHICLE) کاربرد دارد. به لحاظ ارزش حرارتی و دانسیته انرژی، مشابه سوخت دیزل (گازوئیل) هست.

LNG  در دمای  ºF260-  و فشار اتمسفریک در حالت مایع اشباع ( در دمای جوش مایع)

 است. بنابر این مانند هر مایع در حال جوش چنانچه در فشار ثابت  نگهداری  شود (حتی با 

افزایش حرارت)  در دمای  ثابت خواهد ماند. 

مادام که بخار LNG از مخازن خارج می شود (boil off)، دمای مخزن ثابت می ماند.

اجزاء  سیستم خودروهای با سوخت LNG:

از لحاظ انتقال سوخت به موتور، مشابه موتورهای با سوخت CNG است و سوخت به صورت بخار وارد موتور می شود. فرق اساسی بین موتورهای CNG, LNG در نحوه نگهداری و تحویل سوخت است.

مخازن ذخیره LNG دوجداره می باشند و برای فشار کاری حداکثر تا ۲۳۰ psi یا ۱۶bar طراحی شده است. این مخازن دارای لوله و اتصالات لازم برای خارج کردن گاز در صورت افزایش فشار ( با توجه به انتقال حرارت از محیط به مخزن) و یا انتقال سوخت در زمان مصرف هستند. این مخازن مجهز به سیستم اعلام پایان سوخت گیری (پرشدن مخزن) نیز هستند. موتور خودروها گاز را در فشار ۴ الی ۹ بار (۶۰-۱۲۰ psi) مصرف می کند.

معایب استفاده از LNG:

بسیاری از مردم به استفاده از مواد در دماهای پایین عادت نداشته لذا نیاز به آموزش خاصی در زمینه استفاده از سوخت در دمای خیلی پایین هست.

در ایستگاههای سوخت گیری خطوط انتقال گاز از مخزن به خودرو ( شامل لوله ها شیرآلات و وسایل اندازه گیری) جهت انتقال LNG در حالت مایع باید پیش از شروع ، سوخت تا دمای              ºF 260- سرد شوند در غیر اینصورت منجر به تبخیر بخشی از سوخت می شود.

– حداکثر پرشدن مخزن دوجداره Cryogenic تا حد ماکزیمم ظرفیت، امکان پذیر نیست زیرا به اندازه لازم فضای خالی در بالای سطح مایع جهت تبخیر یا جوشیدن مایع باید در مخزن در نظر گرفته شود.

مزایای استفاده از LNG:

دانسیته انرژی بالاتری نسبت به سوختهای گازی دارد، زیرا به شکل مایع ذخیره می شود. مسافت پیمایش بیشتر و وزن کمتر مخازن ذخیره، استفاده از آن را در خودروهای کوچکترامکان پذیر می سازد. سرعت سوختگیری بالا به نحوی که در خودروهای بزرگ زمان سوختگیری ۴ الی ۶ دقیقه می باشد (۱۰ الی ۴۰ گالن در دقیقه). ارزیابی و کنترل ترکیب سوخت با دقت بالایی امکان پذیر است و با توجه به اینکه LNG تولید شده برای خودروها تا ۹۹ درصد متان دارد، لذا کنترل و تعیین مناسب ترکیب سوخت بازدهی موتور و سوخت را نیز افزایش می دهد.

– گاز مایع (LPG) Liquefied Petroleum GAS:

گاز مایع که بصورت مخفف LPG نامیده می شود معمولاً عمدتاً از دو ترکیب هیدروکربنی پروپان و بوتان با فرمول شیمیایی C4H10, C3H8 تشکیل شده است. بوتان خود شامل دو ترکیب ایزوبوتان ونرمال بوتان است. LPG که معمولاً در برخی نقاط دنیا به نام ترکیب عمده آن، پروپان، نیز شناخته می شود بعنوان محصول فرعی فرآیندهای تصفیه و تولید گاز طبیعی و پالایش نفت خام تولید می شود. LPG در آمریکا عمدتاً از ۹۰% پروپان، ۵/۲% بوتان و هیدروکربنهای سنگین و مقدار کمی نیز اتان و پروپلین تشکیل شده است. گاز مایع فاقد رنگ، بو و مزه است و بطور کلی زیان آور نیست ولی در صورتیکه حجم زیادی از آن استشمام گردد باعث بیهوشی خواهد شد. به منظور آگاهی از نشت گاز مایع ترکیبات گوگرد دار بنام مرکاپتان شامل \”اتیل مرکاپتان\” و \”متیل مرکاپتان\” به گاز مایع افزوده می شود. خواص مهم این سه ترکیب در جدول زیر درج شده است:

انرژی درونی گاز کامل

ظرفی را که از نظر حرارتی عایق است و دیواره‌های آن صلب هستند در نظر بگیرید. این ظرف توسط یک تیغه به دو بخش تقسیم شده است. فرض کنید که یک قسمت پر از گاز و قسمت دیگر خالی باشد اگر تیغه برداشته شود، گاز دستخوش فرایندی موسوم به انبساط خواهد شد که در حین آن هیچ کاری انجام نمی‌گیرد و هیچ حرارتی منتقل نمی‌شود چون φ و W هر دو صفرند، از قانون اول نتیجه می‌شود که انرژی داخلی در طی یک انبساط آزاد بدون تغییر باقی می‌ماند. انرژی داخلی یک گاز کامل عبارت است از مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل تک‌تک ذرات تشکیل دهنده گاز می‌باشد. در گاز کامل ذرات نسبت به هم فاقد انرژی پتانسیل هستند. پس تنها انرژی گاز کامل تنها مربوط به انرژی جنبشی ذرات آن می‌باشد.

 

معادله حالت یک گاز کامل

فرضیه‌های اساسی نظریه جنبشی یک گاز کامل عبارتند از :

  • هر نمونه کوچکی از گاز شامل تعداد بسیار زیاد N مولکول است تمام مولکولهای یک نوع ماده شیمیایی مشابه‌اند. اگر m جرم هر مولکول باشد جرم کل mN است. اگر m بیانگر جرم مولکولی بر حسب کیلوگرم بر کیلومول (که قبلا به آن وزن مولکولی می‌گفتند) باشد تعداد گرم مول‌های n عبارت است از : n = mN/m تعداد مولکولها در هر مول گاز ، عدد آووگادرو ، NA ، خوانده می‌شود.

مول/ مولکول NA= 6.022×1023

 

  • فرض می‌شود که مولکولهای یک گاز کامل ، شبیه به گویهای کوچک و بیضی هستند که در حرکت دائم کاتوره‌ای‌اند. در گستره دما و فشار یک گاز کامل میانگین فاصله بین مولکولهای مجاور در مقایسه با اندازه یک مولکول ، زیاد است. قطر یک مولکول در حدود ۱۰-۱۰×2

یا ۱۰-۱۰×3 است. تحت شرایط متعارفی ، میانگین فاصله مولکولها حدود ۵۰ برابر قطر آنهاست.

  • فرض می‌شود که مولکولهای یک گاز کامل هیچ نیروی جاذبه یا دافعه بر روی مولکولهای دیگر به جز در مواردی که با یکدیگر و با یک دیواره برخورد می‌کنند، وارد نمی‌سازند. بین برخوردها مولکولها دارای حرکت مستقیم الخط یکنواخت‌اند.
  • قسمتی از دیواره که یک مولکول با آن برخورد می‌کند صاف در نظر گرفته می‌شود و برخورد کاملا کشسان فرض می‌شود. اگر W سرعت یک مولکول نزدیک شونده به یک دیواره باشد، فقط مقدار مولفه عمودی سرعت W ، در اثر برخورد به دیواره تغییر می‌کند و از به W به W– می‌رسد. این امر ، یک تغییر کلی مساوی با ۲W– در سرعت به بار می‌آورد.
  • اگر هیچ میدان نیروی خارجی وجود نداشته باشد، مولکولها بطور یکنواخت در تمام ظرف توزیع می‌شوند چگالی مولکولی N/V ثابت فرض می‌شود. بطوری که در هر عنصر کوچک حجم dV ، تعداد dN مولکول وجود دارد که برابر است با :

dN = N/V.dV

عنصر بی‌نهایت dV ، در نظریه جنبشی باید دارای همان شرایط باشد که در ترمودینامیک دارد. یعنی نسبت به V کوچک باشد و در عین حال آنقدر بزرگ باشد که dN را عدد بزرگی بسازد. اگر به عنوان مثال ، ۱cm3 حجم ، شامل ۱۰۱۳ مولکول باشد یک میلیونیم یک سانتیمتر مکعب شامل ۱۰۱۳ مولکول است و شرایط یک عنصر دیفرانسیلی حجم را دارد.

  • سرعت همه مولکولها یکسان نیست. در هر لحظه بعضی از مولکولها آهسته و برخی سرعت نور دانست از انجا که بیشتر سرعتهای مولکولی خیلی سریع حرکت می‌کنند بطوری که گستره سرعتها را می‌توان بین صفر و سرعت نور دانست. از آنجا که بیشتر سرعتهای مولکولی خیلی پایینتر از سرعت نور هستند، هیچ خطایی در انتگرال گیری سرعت از ۰ تا ∞ بوجود نمی‌آید. اگر dNV معرف تعداد مولکولهای با سرعت بین W و W + dW باشد، فرض می شود که مقدار آن ثابت باقی بماند. هر چند که مولکولها دائما در حال برخورد و تغییر هستند.

 

سه قانون ساده گازها

قانون ساده گازها رابطه بین دو متغییر از چهار متغییر را وقتی که دو متغییر دیگر ثابت باشند بیان می‌کند.

  • قانون بویل:

حجم یک نمونه از گاز در دمای ثابت، به نسبت عکس فشار تغییر می‌کند.

  • قانون شارل: در فشار ثابت، حجم یک نمونه گاز با دمای مطلق ( دمای کلوین ) نسبت مستقیم دارد.
  • قانون آمونتون: تغییرات فشار یک گاز در حجم ثابت با تغییرات دمای مطلق نسبت مستقیم دارد.

قانون گازهای ایده‌ال

در دما و فشار ثابت، حجم یک گاز با تعداد مولهای آن بطور مستقیم تغییر می‌کند.
n، تعداد مولهای یک گاز است. معادله حالت برای گاز ایده‌آل ( PV=Nrt ) رابطه بین چهار متغییر را بیان می‌کند که در آن R، ثابت گاز ایده‌آل نامیده می‌شود.

قانون فشارهای جزئی دالتون

فشار کل مخلوطی از گازها برای مجموع فشارهای جزئی هر کی از آن گازها است.
فشار جزئی: فشاری که یک جز از یک مخلوط اگر به تنهایی در حجم مورد نظر می‌بود اعمال می‌کرد.

قانون نفوذ مولکولی گراهام

نفوذ مولکولی: اگر در ظرفی حاوی گاز، منفذی بسیار کوچک تعبیه شود مولکولهای گاز از آن منفذ فرار می‌کنند.
قانون نفوذ گراهام: سرعت نفوذ یک گاز با جذر چگالی یا جذر وزن آن گاز نسبت معکوس دارد.

قانون ترکیب حجمی گیلوساک و اصل آووگادرو

حجم گازهای مصرف شده با تولید شده در یک واکنش شیمیایی، در فشار و دمای ثابت، با نسبتهای اعداد صحیح کوچک بیان می‌شود. اصل آووگادرو توضیحی بریا قانون گیلوساک ارائه می‌کند.
اصل آووگادرو: حجمهای مساوی از تمام گمازها، در دما و فشار یکسان، دارای عده مولکولهای مساوی‌اند.

مقایسه گازهای ایده‌آل و حقیقی

نظریه جنبشی گازها، رفتار گازهای ایده‌آل را بر حسبت مول بیان می‌کند طبق این نظر گازها از مولکولهایی که در فضا کاملا جدا از هم هستند تشکیل یافته‌ است. حجم واقعی این مولکولها در مقایسه با حجم کل گاز، ناچیز است. مولکولها حرکت مداوم دارند و نیروهای جاذبه بین آ“ها ناچیز است و انرژی جنبشی مولکولها به دما بستگی دارد.
رفتار یک گاز حقیقی از رفتاری که توسط گازهای ایده‌آل بیان می‌شود منحرف می‌گردد. زیرا مولکولهای گاز حقیقی حجمهای معین دارند و بین آنها نیروهای جاذبه اعمال می‌شود. انحرافی که یک گاز حقیقی از حالت ایده‌آل نشان می‌دهد در فشارهای بالا و دماهای پایین مشخص‌تر است زیرا در این شرایط، مولکولهای گاز به یکدیگر نزدیک می‌شوند و انرژی جنبشی آنها پایین است و در نهایت این شرایط، گازها مایع می‌شوند

 

 

 

 

منبع :پدیدا بزرگترین مرجع علمی ایرانیان

ارسال نظر