Плотность газа

Плотность газа  определяется как масса единицы объема, т. е. как отношение массы газа   к его объему      .

Удельный объем

Удельный объем - величина, обратная плотности.

Удельным объемом газа v называется объем единицы массы газа   =1/ =.

Физическая характеристика некоторых газов представлена в табл. 1.2, 1.3.         

 Таблица 1.2

Физические свойства углеводородных газов

 Таблица 1.3

Физические свойства некоторых не углеводородных газов

Расход газа

Различают массовый и объемный расход газа. Массовым расходом газа  называется масса газа , проходящая через поперечное сечение потока в единицу времени  . Объемным расходом газа  называется количество газа в единицах объема, проходящее через сечение потока в единицу времени .

Объем газа и объемный расход относят к определенным условиям (температура, давление): объемный расход при нормальных условиях  (температура 0 °С, давление 0,1013 МПа) и объемный расход газа при стандартных условиях  (температура 20 °С, давление 0,1013 МПа).

Линейная и массовая скорость газа

Линейная скорость газа  в газопроводе определяется как объемный расход газа  в условиях потока (температура, давление) через единицу поперечного сечения .

Массовой скоростью газа  называется массовый расход газа  через единицу поперечного сечения потока  (газопровода):    .

Давление газа

Давление газа  в общем случае равно пределу отношения нормальной составляющей силы  к площади , на которую действует сила: . При равномерном распределении сил давление  определяют по формуле .

Для характеристики состояния газов используют понятие абсолютного давления , которое представляет собой давление газов на стенки газопроводов. Для определения результирующих усилий, приложенных к стенкам газопроводов, используют понятие избыточного давления , которое представляет собой разность между абсолютным давлением газа  и барометрическим давлением среды .

Работа

При выводе расчетных формул будет использовано понятие потенциальной работы. Потенциальной работой называется работа перемещения газов из области одного давления  в область другого давления . Элементарная потенциальная работа  соответствует бесконечно малым изменениям давления: , где  - элементарная удельная работа.

В условиях перемещения газа в газопроводах распределение потенциальной работы формулируется следующим образом:

,

где - удельная эффективная работа, передаваемая телам внешней системы (для газопроводов =0);  -  необратимые превращения работы, , где - коэффициент гидравлического сопротивления,  - линейная скорость газа; - расстояние от начала газопровода до рассматриваемой точки;  - внутренний диаметр газопровода;  - ускорение свободного падения;  - расположение рассматриваемой точки по высоте.

Из аналитического выражения потенциальной работы следует, что она затрачивается на преодоление трения газа о стенки газопровода, изменение положения газа и изменение линейной скорости газа.

Идеальные и реальные газы

Законы, которым подчиняются идеальные газы, достаточно хорошо характеризуют поведение и свойства реальных газов только при невысоких давлениях и температурах. Законы идеальных газов тем лучше описывают свойства реальных газов, чем дальше эти газы находятся от областей насыщения и критического состояния.

Закон Бойля-Мариотта

Закон Бойля-Мариотта устанавливает зависимость между давлением и удельным объемом газа при постоянной температуре = idem.

Закон Гей-Люссака

Закон Гей-Люссака определяет зависимость удельного объема идеального газа от температуры при постоянном давлении. Расширение газов при нагревании характеризуется следующим образом: относительное расширение идеальных газов при нагревании под неизменным давлением (= idem) прямо пропорционально повышению температуры:  при  , где  - удельный объем газа при температуре  и давлении ;  - удельный объем газа при нулевой температуре и том же давлении ; - температурный коэффициент объемного расширения идеальных газов при 0 °С, сохраняющий одно и то же значение при всех давлениях и одинаковый для всех идеальных газов, = 1/273,16  1/273,2 1/°С.

Уравнение Клапейрона

Уравнение Клапейрона (уравнение состояния) получается при сопоставлении законов Бойля-Мариотта и Гей-Люссака. Оно связывает три основные величины, характеризующие состояние газа (давление, температура и удельный объем); , где  - абсолютное давление идеального газа;  - удельный объем идеального газа;  - газовая постоянная идеального газа;  - абсолютная температура газа.

Уравнение Клапейрона может быть записано в следующем виде: .

При умножении обеих частей уравнения состояния на количество газа в единицах массы получим уравнение состояния для любого количества газа .

Газовая постоянная  есть работа расширения единицы количества газа (1 кг) при нагревании его на 1 °С при постоянном давлении (= idem).    

Закон Авогадро

Закон Авогадро сформулирован следующим образом: объем одного киломоля идеального газа не зависит от природы газа и определяется параметрами физического состояния газа (давление и температура).

Киломолем, или килограмм-молекулой, называется число килограммов вещества, численно равное его молекулярной массе .

Объем 1 киломоля идеальных газов по уравнению Клапейрона . По закону Авогадро правая часть этого выражения не зависит от природы газа, поэтому произведение молекулярной массы , и газовой постоянной  не зависит от природы газа и является универсальной постоянной идеальных газов: = const.

Уравнение состояния для 1 киломоля идеального газа .

В настоящее время принята следующая расчетная величина - универсальная постоянная идеальных газов = 8,3144·10 Дж/(кмоль·К).

Молярный объем идеальных газов в нормальных физических условиях равен = 22,4 м/кмоль.

Расчетные значения удельных газовых постоянных идеальных газов определяют по универсальной газовой постоянной. Для реальных газов составлено большое число уравнений состояния. Наиболее распространено уравнение Клапейрона с поправочным коэффициентом , где  - коэффициент сжимаемости, учитывающий отклонение реальных газов от законов идеальных газов. Его определяют по графикам (рис. 1.1) в зависимости от приведенных параметров (температура и давление) газа: , , где  - приведенное давление; - абсолютное давление газа;  - критическое давление газа;  - приведенная температура; - абсолютная температура газа;  - критическая температура газа.

Рис. 1.1. Зависимость коэффициента сжимаемости газов  от приведенных давления  и температуры  

Критическим давлением называется такое давление, при котором и выше которого повышением температуры нельзя испарить жидкость.

Критическая температура - это такая температура, при которой и выше которой при повышении давления нельзя сконденсировать пар (табл. 1.4).

Таблица 1.4

Критические параметры газов