Alp22.ru

Промышленное строительство
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фазовые превращения углекислого газа

Фазовые превращения углекислого газа

Углекислый газ (СО2) широко используется в различных устройствах и процессах, поэтому его фазовые превращения представляют определенный практический интерес. На рис3.15. приведена фазовая Р-Т диаграмма углекислого газа с нанесенными значениями особых точек (тройной и критической), и значениями параметров насыщения для температуры 20 0 С и нормального давления (Рн = 0,101325 МПа).

Рис.3.15. Фазовая Р-t диаграмма

Углекислый газ относится к нормальным веществам ( ), поэтому при температурах ниже тройной точки (- 56 0 С) жидкая углекислота не существует ни при каком давлении.

Если при температуре газа +20 0 С давление в баллоне больше 5,739 МПа, то углекислота в баллоне находится в жидкой фазе. Невозможно увидеть жидкую углекислоту, выпуская ее из баллона в атмосферу через нижний вентиль, т.к. при атмосферном давлении (0,101325 МПа) жидкая фаза СО2 не существует.

Сразу после выхода из баллона жидкая углекислота бурно испаряется вследствие понижения давления ниже давления насыщения при температуре окружающей среды.

При испарении теплота от окружающей среды отнимается, поэтому при истечении углекислоты из баллона окружающий воздух и нижний вентиль охлаждаются.

Как только температура охлаждения достигнет значения – 78,47 о С (температура сублимации СО2 при нормальном давлении Рн), углекислота, вытекающая из баллона, из газообразной фазы будет переходить сразу в твердую фазу. Твердая фаза называемая «сухим льдом» (углекислотным снегом) собирается в мешок под струей.

Затем, забирая теплоту сублимации от окружающего воздуха, твердая углекислота снова превращается в газообразную. Температура в мешке будет оставаться постоянной и равной -78,47 о С, вплоть до полного исчезновения твердой фазы. «Сухим льдом» удобно пользоваться, например, для замораживания скоропортящихся продуктов. В отличие от СО2 тройная точка воды находится при очень значительном разряжении (610 Па), поэтому при подводе теплоты ко льду при нормальном давлении (101325 Па) он сначала должен расплавится (растаять) и лишь затем превратиться в пар.

Твердая вода может сублимироваться при температурах ниже температуры тройной точки, что объясняет возможность сушки белья на морозе.

Кипение. Кавитация

Кипение возможно только тогда, когда давление пара внутри пузырьков будет больше внешнего давления. Чем ниже давление, тем ниже температура кипения. При низком давлении закипает холодная вода, но варить что-либо или заварить чай в таком холодном кипятке невозможно.

Если быстро откачивать из закрытого сосуда пар, то жидкость можно охлаждать или даже заморозить, т.к. теплота парообразования при этом отнимается от жидкости.

При высоких давлениях температура кипения воды может быть повышена настолько, что в некипящей воде можно расплавить олово (tпл=230 о С) при р = 2,835 МПа или даже свинец (tпл=327 о С) при р = 12,36 МПа.

Прочные герметичные сосуды, в которых получают особо высокие температуры жидкости при высоких давлениях, называются автоклавами. Автоклавы широко применяются в химической и пищевой промышленности. В парогенераторах также используется кипение при высоких давлениях.

Если давление жидкости сначала понижать до появления пузырьков пара, а затем повышать до конденсации пара и захлопывания пузырьков, то возникают локальные гидравлические удары.

Явление возникновения разрывов (пузырьков или каверн) в сплошности жидкости при локальном понижении давления называется кавитацией.

Литература

1. М.П. Вукалович, И.И. Новиков. Термодинамика. – М.: Машиностроение; 1972. – 670с.

2. С.И. Исаев. Курс химической термодинамики. – М.: Машиностроение; 1975. — 255с.

3. В.Н. Зубарев, А.А. Александров, В.С. Охотин. Практикум по технической термодинамике. – М.: Энергоатомиздат; 1986. – 304с.

Учебное издание

Диденко Валерий Николаевич

Варфоломеева Ольга Ивановна

Фазовые переходы

Методическое пособие к дисциплинам «Техническая термодинамика», «Химическая термодинамика и энергетика топлива», «Кондиционирование и холодоснабжение», «Теплогенерирующие установки» специальностей 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция» и 290800 «Водоснабжение и водоотведение».

В авторской редакции

Подписано в печать . Формат 6084/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Times». Уч. печ.л. . Уч-изд.л. . Тираж экз. Заказ № .

Отпечатано в типографии Издательства ГОУ ВПО «ИжГТУ»

Издательство Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ижевский государственный технический университет».

3.5.Фазовые превращения углекислого газа

Углекислый газ (СО2) широко используется в различных устройствах и процессах, поэтому его фазовые превращения представляют определенный практический интерес. На рис3.15. приведена фазовая Р-Т диаграмма углекислого газа с нанесенными значениями особых точек (тройной и критической), и значениями параметров насыщения для температуры 20 0 С и нормального давления (Рн = 0,101325 МПа).

Рис.3.15. Фазовая Р-tдиаграмма

Углекислый газ относится к нормальным веществам (), поэтому при температурах ниже тройной точки (- 56 0 С) жидкая углекислота не существует ни при каком давлении.

Если при температуре газа +20 0 С давление в баллоне больше 5,739 МПа, то углекислота в баллоне находится в жидкой фазе. Невозможно увидеть жидкую углекислоту, выпуская ее из баллона в атмосферу через нижний вентиль, т.к. при атмосферном давлении (0,101325 МПа) жидкая фаза СО2не существует.

Сразу после выхода из баллона жидкая углекислота бурно испаряется вследствие понижения давления ниже давления насыщения при температуре окружающей среды.

При испарении теплота от окружающей среды отнимается, поэтому при истечении углекислоты из баллона окружающий воздух и нижний вентиль охлаждаются.

Как только температура охлаждения достигнет значения – 78,47 о С (температура сублимации СО2при нормальном давлении Рн), углекислота, вытекающая из баллона, из газообразной фазы будет переходить сразу в твердую фазу. Твердая фаза называемая «сухим льдом» (углекислотным снегом) собирается в мешок под струей.

Затем, забирая теплоту сублимации от окружающего воздуха, твердая углекислота снова превращается в газообразную. Температура в мешке будет оставаться постоянной и равной -78,47 о С, вплоть до полного исчезновения твердой фазы. «Сухим льдом» удобно пользоваться, например, для замораживания скоропортящихся продуктов. В отличие от СО2тройная точка воды находится при очень значительном разряжении (610 Па), поэтому при подводе теплоты ко льду при нормальном давлении (101325 Па) он сначала должен расплавится (растаять) и лишь затем превратиться в пар.

Читайте так же:
Нож из диска циркулярной пилы своими руками

Твердая вода может сублимироваться при температурах ниже температуры тройной точки, что объясняет возможность сушки белья на морозе.

3.6. Кипение. Кавитация

Кипение возможно только тогда, когда давление пара внутри пузырьков будет больше внешнего давления. Чем ниже давление, тем ниже температура кипения. При низком давлении закипает холодная вода, но варить что-либо или заварить чай в таком холодном кипятке невозможно.

Если быстро откачивать из закрытого сосуда пар, то жидкость можно охлаждать или даже заморозить, т.к. теплота парообразования при этом отнимается от жидкости.

При высоких давлениях температура кипения воды может быть повышена настолько, что в некипящей воде можно расплавить олово (tпл=230 о С) при р = 2,835 МПа или даже свинец (tпл=327 о С) при р = 12,36 МПа.

Прочные герметичные сосуды, в которых получают особо высокие температуры жидкости при высоких давлениях, называются автоклавами. Автоклавы широко применяются в химической и пищевой промышленности. В парогенераторах также используется кипение при высоких давлениях.

Если давление жидкости сначала понижать до появления пузырьков пара, а затем повышать до конденсации пара и захлопывания пузырьков, то возникают локальные гидравлические удары.

Явление возникновения разрывов (пузырьков или каверн) в сплошности жидкости при локальном понижении давления называется кавитацией.

§ 6.4. Критическая температура. Критическое состояние

При достаточно высоких температурах горизонтальный участок изотермы реального газа (см. рис. 6.4) становится совсем коротким и при некоторой температуре обращается в точку (на рис. 6.4 — точка К). Эту температуру называют критической.

Критической называется температура, при которой исчезают различия в физических свойствах между жидкостью и паром, находящимся с ней в динамическом равновесии. Каждое вещество имеет свою критическую температуру. Например, критическая температура для углекислоты СO2 равна tK = 31 °С, а для воды — tK = 374 °С.

Критическое состояние

Состояние, соответствующее точке К, в которую обращается горизонтальный участок изотермы при температуре Т = Тк, называют критическим состоянием (критическая точка). Давление и объем в этом состоянии называют критическими. Критическое давление для углекислого газа равно 7,4 • 10 6 Па (73 атм), а для воды 2,2 • 10 7 Па (218 атм). В критическом состоянии жидкость имеет максимальный объем, а насыщенный пар — максимальное давление.

Плотность жидкости и ее насыщенного пара при критической температуре

Мы уже отмечали, что при увеличении температуры возрастает плотность насыщенного пара (см. § 6.3). Плотность жидкости, находящейся в равновесии со своим паром, наоборот, уменьшается вследствие ее расширения при нагревании.

В таблице 2 приведены значения плотности воды и ее насыщенного пара для разных температур.

Таблица 2

Если на одном рисунке начертить кривые зависимости плотности жидкости и ее насыщенного пара от температуры, то для жидкости кривая пойдет вниз, а для пара — вверх (рис. 6.6). При критической температуре обе кривые сливаются, т. е. плотность жидкости становится равной плотности пара. Различие между жидкостью и паром исчезает.

Газ и пар

Мы много раз употребляли слова «газ» и «пар». Эти термины возникли в те времена, когда считалось, что пар может быть превращен в жидкость, а газ нет. После того как все газы были сконденсированы (см. § 6.7), для такой двойственной терминологии не осталось оснований. Пар и газ — это одно и то же, между ними принципиальной разницы нет. Когда говорят о паре какой-нибудь жидкости, то обычно имеют в виду, что его температура меньше критической и сжатием его можно превратить в жидкость. Только по привычке мы говорим о водяном паре, а не о водяном газе, о насыщенном паре, а не о насыщенном газе и т. д.

Экспериментальное исследование критического состояния

Эксперименты по изучению критического состояния выполнил в 1863 г. русский ученый М. П. Авенариус. Прибор, с помощью которого можно наблюдать критическое состояние (прибор Авенариуса), состоит из воздушной ванны (рис. 6.7) и находящейся внутри ванны запаянной стеклянной трубочки (ампулы) с жидким эфиром. Объем ампулы (ее вместимость) равен критическому объему эфира, налитого в трубочку. Пространство над эфиром в ампуле заполнено насыщенным паром эфира.

При помощи газовой горелки или другого нагревателя воздушную ванну подогревают. За состоянием эфира наблюдают через стеклянное окошко в приборе.

При комнатной температуре можно отчетливо видеть границу между жидкостью и паром (рис. 6.8, а). По мере приближения к критической температуре объем жидкого эфира увеличивается, а граница раздела жидкость — пар становится слабовыраженной, неустойчивой (рис. 6.8, б).

При подходе к критическому состоянию граница между ними исчезает совсем (рис. 6.8, в).

При охлаждении появляется плотный туман, заполняющий всю трубочку (рис. 6.8, г). Это образуются капельки жидкости. Далее они сливаются вместе, и опять возникает граница раздела между жидкостью и паром (рис. 6.8, д).

Для опыта выбран эфир, так как он имеет сравнительно низкое критическое давление (около 36 атм). Критическая температура его тоже невелика: 194 °С.

Если сжимать газ, поддерживая его температуру выше критической (см. рис. 6.4, изотерма Т3), причем, как и раньше, начать с очень больших объемов, то уменьшение объема приведет к возрастанию давления в соответствии с уравнением состояния идеального газа. Однако если при температуре ниже критической при определенном давлении происходила конденсация пара, то теперь образования жидкости в сосуде наблюдаться не будет. При температуре выше критической газ нельзя обратить в жидкость ни при каких давлениях.

В этом и состоит основное значение понятия критической температуры.

Диаграмма равновесных состояний газа и жидкости

Еще раз вернемся к рисунку 6.4, на котором изображены изотермы реального газа. Соединим все левые концы горизонтальных участков изотерм, т. е. те точки, которые соответствуют окончанию конденсации насыщенного пара и началу сжатия жидкости. Получится плавная кривая, оканчивающаяся в критической точке К. На рисунке 6.9 это кривая ART. Слева от кривой АК, между ней и критической изотермой (участок изотермы СК), расположена область, соответствующая жидкому состоянию вещества (на рис. 6.9 эта область выделена горизонтальной штриховкой). Каждой точке этой области соответствуют параметры р, V и Т, характеризующие жидкость в состоянии теплового равновесия.

Читайте так же:
Материалы для монтажа сип

Соединим теперь плавной кривой все правые концы горизонтальных участков изотерм. Эта кривая на рисунке 6.9 тоже заканчивается в точке К. Две линии АК и ВК ограничивают область, каждая точка которой соответствует состоянию равновесия между жидкостью и насыщенным паром (на рис. 6.9 эта область выделена вертикальной штриховкой). За исключением области жидкого состояния и области равновесия жидкости с газом вся остальная область соответствует газообразному состоянию вещества. На рисунке 6.9 она выделена косой штриховкой.

В результате получилась диаграмма равновесных состояний газа и жидкости. Каждой точке на этой диаграмме соответствует определенное состояние системы: газ, жидкость или равновесие между жидкостью и газом.

При критической температуре свойства жидкости и насыщенного пара становятся неразличимыми. Выше критической температуры жидкость не может существовать.

Углекислый газ, он же углекислота, он же двуокись углерода…

Углекислый газ – это первый газ, который был описан как дискретное вещество. В семнадцатом веке, фламандский химик Ян Баптист ван Гельмонт (Jan Baptist van Helmont) заметил, что после сжигания угля в закрытом сосуде масса пепла была намного меньше массы сжигаемого угля. Он объяснял это тем, что уголь трансформируется в невидимую массу, которую он назвал «газ».

Свойства углекислого газа были изучены намного позже в 1750г. шотландским физиком Джозефом Блэком (Joseph Black).

Он обнаружил, что известняк (карбонат кальция CaCO3) при нагреве или взаимодействии с кислотами, выделяет газ, который он назвал «связанный воздух». Оказалось, что «связанный воздух» плотнее воздуха и не поддерживает горение.

CaCO3 + 2HCl = СО2 + CaCl2 + H2O

Пропуская «связанный воздух» т.е. углекислый газ CO2 через водный раствор извести Ca(OH)2 на дно осаждается карбонат кальция CaCO3.

Джозеф Блэк использовал этот опыт для доказательства того, что углекислый газ выделяется в результате дыхания животных.

CaO + H2O = Ca(OH)2

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

Теплопроводность двуокиси углерода CO2 в критической области - таблица 4 Теплопроводность двуокиси углерода CO2 в зависимости от температуры и давления - таблица 3

Примеры решения задач

Задача 1

Найти массовую долю углерода в углекислом газе.

Решение

М(СО2) = 12+2х16 = 44 г/моль. Аr(С) = 12 г/моль. W(С) = 12/44 = 0,27 или 27%

Ответ: массовая доля углерода в углекислом газе равна 27%.

Задача 2

Вычислить объем углекислого газа, выделившегося при взаимодействии соляной кислоты с мрамором массой 100 г.

Решение

CaCO3 + 2HCl → CaCl2+ H2O + CO2

1 моль — 1 моль 100 г/моль — 22,4 л/моль 100 г — 22,4 л

х(СО2) = 300х22,4/100 = 67, 2 (л).

Ответ: Объем углекислого газа равен 67, 2 л.

Применение углекислого газа

Двуокись углерода чаще всего применяют:

  • для создания защитной среды при сварке полуавтоматом;
  • в производстве газированных напитков;
  • охлаждение, замораживание и хранения пищевых продуктов;
  • для систем пожаротушения;
  • очистка сухим льдом от загрязнений поверхности изделий.

Применение углекислоты для сварки

Плотность углекислого газа достаточно высока, что позволяет обеспечивать защиту реакционного пространства дуги от соприкосновения с газами воздуха и предупреждает азотирование металла шва при относительно небольших расходах углекислоты в струе. Углекислый газ является активным газом, т.е. в процессе сварки он взаимодействует с металлом шва и оказывает на металл сварочной ванны окисляющее, а также науглероживающее действие.

В настоящее время ввиду большого разбрызгивания металла сварочной ванны при сварке в углекислоте все чаще применяют сварочные смеси с аргоном. Производители сварочного оборудования не остались в стороне от даной проблемы и предусматривают специальный режим на сварочных полуавтоматах, при котором уменьшается эффект разбрызгивания. Еще один путь решения данной проблемы – это применение специальных спреев или жидкостей, которые не позволяют прикипать брызгам к металлу свариваемой детали. В любом случае применение любого из данных методов с лихвой окупит затраты времени и расходных материалов на удаление брызг путем механической зачистки.

Ранее препятствием для применения углекислоты в качестве защитной среды являлось образование дефектов в швах в виде пор. Поры вызывались кипением затвердевающего металла сварочной ванны от выделения окиси углерода (СО) вследствие недостаточной его раскисленности.

При высоких температурах углекислый газ диссоциирует с образованием весьма активного свободного, одноатомного кислорода:

Окисление металла шва выделяющимся при сварке из углекислого газа свободным кислородом нейтрализуется содержанием дополнительного количества легирующих элементов с большим сродством к кислороду, чаще всего кремнием и марганцем (сверх того количества, которое требуется для легирования металла шва) или вводимыми в зону сварки флюсами (полуавтоматическая сварка порошковой проволокой).

Как двуокись, так и окись углерода практически не растворимы в твердом и расплавленном металле. Свободный активный кислород окисляет элементы, присутствующие в сварочной ванне, в зависимости от их сродства к кислороду и концентрации по уравнению:

где Мэ — металл (марганец, алюминий или др.).

Кроме того, и сам углекислый газ реагирует с этими элементами.

В результате этих реакций при сварке в углекислоте наблюдается значительное выгорание алюминия, титана и циркония, и менее интенсивное — кремния, марганца, хрома, ванадия и др.

Особенно энергично окисление примесей происходит при полуавтоматической сварке. Это связано с тем, что при сварке плавящимся электродом взаимодействие расплавленного металла с газом происходит при пребывании капли на конце электрода и в сварочной ванне, а при сварке неплавящимся электродом — только в ванне. Как известно, взаимодействие газа с металлом в дуговом промежутке происходит значительно интенсивнее вследствие высокой температуры и большей поверхности контактирования металла с газом.

Ввиду химической активности углекислого газа по отношению к вольфраму сварку в этом газе ведут только плавящимся электродом.

«Сухой лед» и прочие полезные свойства диоксида углерода

В повседневной практике углекислый газ используется достаточно широко. Например, газированная вода с добавками ароматных эссенций – прекрасный освежающий напиток. В пищевой промышленности диоксид углерода используется и как консервант — он обозначается на упаковке под кодом Е290, а также в качестве разрыхлителя теста.

Читайте так же:
Клей для акрилового стекла

Углекислотными огнетушителями пользуются при пожарах. Биохимики нашли, что удобрение… воздуха углекислым газом весьма эффективное средство для увеличения урожайности различных культур. Пожалуй, такое удобрение имеет единственный, но существенный недостаток: применять его можно только в оранжереях. На заводах, производящих диоксид углерода, сжиженный газ расфасовывают в стальные баллоны и отправляют потребителям. Если открыть вентиль, то из отверстия с шипением вырывается… снег. Что за чудо?

Все объясняется просто. Работа, затраченная на сжатие газа, оказывается значительно меньше той, которая требуется на его расширение. И чтобы как-то компенсировать возникающий дефицит, углекислый газ резко охлаждается, превращаясь в «сухой лед». Он широко используется для сохранения пищевых продуктов и перед обычным льдом имеет значительные преимущества: во-первых, «хладопроизводительность» его вдвое выше на единицу веса; во-вторых, он испаряется без остатка.

Углекислый газ используется в качестве активной среды при сварке проволокой, так как при температуре дуги углекислота разлагается на угарный газ СО и кислород, который, в свою очередь, и входит во взаимодействие с жидким металлом, окисляя его.

Углекислота в баллончиках применяется в пневматическом оружии и в качестве источника энергии для двигателей в авиамоделировании.

Вредность и опасность углекислого газа

Двуокись углерода нетоксична и невзрывоопасна. При концентрациях более 5% (92 г/м3) углекислый газ оказывает вредное влияние на здоровье человека, так как он тяжелее воздуха и может накапливаться в слабо проветриваемых помещениях у пола. При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья. Помещения, где производится сварка с использованием углекислоты, должны быть оборудованы общеобменной приточно-вытяжной вентиляцией. Предельно допустимая концентрация углекислого газа в воздухе рабочей зоны 9,2 г/м3 (0,5%).

[править] Свойства

Получение углекислого газа [3:20] Сухой лед — Удивительная подборка экспериментов с сухим льдом! (Химия) // Thoisoi [4:30]
Удушающий газ, без цвета и запаха, является естественной составляющей атмосферы Земли. Углекислый газ является продуктом сжигания ископаемого топлива. Он способствует удержанию тепла на поверхности Земли и вносит основной вклад в глобальное потепление.

При температуре 20 °C в 1 объеме воды растворяется 0,88 объемов CO2. Водный раствор его имеет кисловатый вкус. В отличие от монооксида, диоксид углерода является солеобразующим оксидом — ангидридом угольной кислоты H2CO3.

Под давлением около 60 атм диоксид углерода при обычной температуре превращается в жидкость. В сжиженном состоянии в стальных баллонах его можно хранить и транспортировать. При сильном охлаждении он превращается в снегообразную массу (сухой лед), которая сублимирует (испаряется, не плавясь) при −78,5 °С.

Диоксид углерода не поддерживает дыхание и горение обычных видов топлива. Но некоторые активные металлы могут отнимать у него кислород. Так, например, зажженная свеча гаснет в атмосфере CO2, а зажженная магниевая лента продолжает гореть:

  • 2Mg + CO2 = 2MgO + C

Незначительные количества CO2 безвредны для человека и животных, но при концентрации его в воздухе более 3 % по объему он становится вредным, а при 10 % и более — смертельным.

Хранение и транспортировка углекислого газа

Углекислый газ поставляется по ГОСТ 8050. Для получения качественных швов используют газообразную и сжиженную двуокись углерода высшего и первого сортов.

Углекислоту транспортируют и хранят в стальных баллонах по ГОСТ 949 или цистернах большой емкости в жидком состоянии с последующей газификацией на заводе, с централизованным снабжением сварочных постов через рампы.

В стандартный баллон с водяной емкостью 40 л заливается 25 кг жидкой углекислоты, которая при нормальном давлении занимает 67,5% объема баллона и дает при испарении 12,5 м3 углекислого газа.

В верхней части баллона вместе с газообразной углекислотой скапливается воздух. Вода, как более тяжелая, чем жидкая двуокись углерода, собирается в нижней части баллона.

Для снижения влажности углекислого газа рекомендуется установить баллон вентилем вниз и после отстаивания в течение 10…15 мин осторожно открыть вентиль и выпустить из баллона влагу. Перед сваркой необходимо из нормально установленного баллона выпустить небольшое количество газа, чтобы удалить попавший в баллон воздух. Часть влаги задерживается в углекислоте в виде водяных паров, ухудшая при сварке качество шва.

При выпуске газа из баллона вследствие эффекта дросселирования и поглощения теплоты при испарении жидкой двуокиси углерода газ значительно охлаждается. При интенсивном отборе газа возможна закупорка редуктора замерзшей влагой, содержащейся в углекислоте, а также сухим льдом. Во избежание этого при отборе углекислого газа перед редуктором устанавливают подогреватель газа. Окончательное удаление влаги после редуктора производится специальным осушителем, наполненным стеклянной ватой и хлористым кальцием, силикогелием, медным купоросом или другими поглотителями влаги.

Баллон окрашен в черный цвет, с надписью желтыми буквами «УГЛЕКИСЛОТА».

Получение двуокиси углерода

В промышленности углекислый газ получают из печных газов, из продуктов разложения природных карбонатов (известняк, доломит). Смесь газов промывают раствором карбоната калия, который поглощает углекислый газ, переходя в гидрокарбонат. Раствор гидрокарбоната при нагревании разлагается, высвобождая углекислоту. При промышленном производстве газ закачивается в баллоны.

В лабораторных условиях небольшие количества получают взаимодействием карбонатов и гидрокарбонатов с кислотами, например мрамора с соляной кислотой.

Характеристики углекислого газа

Характеристики углекислого газа представлены в таблицах ниже:

Коэффициенты перевода объема и массы CO2 при Т=15°С и Р=0,1 МПа

Масса, кгОбъем газа, м3
1,8481
10,541

Коэффициенты перевода объема и массы CO2 при Т=0°С и Р=0,1 МПа

Масса, кгОбъем газа, м3
1,9751
10,506

Основные физические свойства углекислого газа при различной температуре

ТемператураПлотность, ρУдельная теплоёмкость, CpТеплопроводность, λКинематическая вязкость, νЧисло Прандтля, Pr
Kкг/м3Дж / (кг • К)Вт / (м • К)(м2 / с) x 10-6
2801,9028300,01527,360,765
3001,7738510,01668,400,766
4001,3269420,024314,300,737
5001,05910200,032521,800,725
6000,88310800,040730,600,717
7000,75611300,048140,300,717
Читайте так же:
Черный провод это фаза или ноль

* Табличные данные подготовлены по материалам зарубежных справочников

Что такое диоксид углерода

При атмосферном давлении и комнатной температуре диоксид углерода находится в газообразном состоянии. Это наиболее часто встречающаяся его форма, в ней он участвует в процессах дыхания, фотосинтеза и обмена веществ живых организмов.

При охлаждении до -78 °С он, минуя жидкую фазу, кристаллизуется и образует так называемый «сухой лед», широко применяемый как безопасный хладагент в пищевой и химической промышленности и в уличной торговле и рефрижераторных перевозках.

При особых условиях — давлении в десятки атмосфер — углекислота переходит в жидкое агрегатное состояние. Это происходит на морском дне, на глубине свыше 600 м.

[править] Применение

В народном хозяйстве диоксид углерода широко применяется в химической промышленности при производстве соды, мочевины и т. п., а также в производстве сахара, вина, пива, для изготовления газированной воды и т. д. Широко известны природные источники диоксида углерода в виде минеральных вод «Нарзан», «Боржоми» и другие. Спрессованный твердый CO2 под названием «сухой лед» применяют для охлаждения мяса, рыбы и других пищевых продуктов, которые быстро портятся. Сухой лед гораздо больше, чем обычный, снижает температуру и при испарении не оставляет никакой жидкости. В промышленности диоксид углерода получают разложением карбоната кальция:

Зависимость плотности углекислого газа от давления

Плотность и другие свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления. Свойства в таблице указаны при температуре от 273 до 1273 К и давлении от 1 до 100 атм.
Рассмотрим такое важное свойство углекислого газа, как плотность. Плотность углекислого газа равна 1,913 кг/м3 при нормальных условиях (при н.у.). По данным таблицы видно, что плотность углекислого газа существенно зависит от температуры и давления — при росте давления плотность CO2 значительно увеличивается, а при повышении температуры газа — снижается. Так, при нагревании на 1000 градусов плотность углекислого газа уменьшается в 4,7 раза.

Однако, при увеличении давления углекислого газа, его плотность начинает расти, причем значительно сильнее, чем снижается при нагреве. Например при давлении 10 атм. и температуре 0°С плотность углекислого газа вырастает уже до значения 20,46 кг/м3.

Необходимо отметить, что рост давления газа приводит к пропорциональному увеличению значения его плотности, то есть при 10 атм. удельный вес углекислого газа в 10 раз больше, чем при нормальном атмосферном давлении.

В таблице приведены следующие теплофизические свойства углекислого газа:

  • плотность углекислого газа в кг/м3;
  • удельная теплоемкость, кДж/(кг·град);
  • теплопроводность, Вт/(м·град);
  • динамическая вязкость, Па·с;
  • температуропроводность, м2/с;
  • кинематическая вязкость, м2/с;
  • число Прандтля.

Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100!

Сколько азота в воздухе?

Если говорить о воздухе, то нельзя не затронуть тему содержания в нем азота. Он представляет собой бесцветный газ, у которого нет запаха и вкуса. Если разбирать химическую формулу, то молекула азота представляет собой два атома азота, которые скрещены между собой. Именно он составляет большую часть и составляет около 78% от всего объема воздуха. И молярная масса сжатого воздуха, высчитываемая по формуле, будет содержать в себе и молярную массу азота. Азот содержится практически везде и человек уже давно начал его использовать в своих нуждах. Даже в белке, который является основным строительным материалом всех живых организмов, тоже есть азот. Так аммиак, который применяется в сельском хозяйстве, получается при извлечении азота. И сам человек примерно на 2% состоит из азота.

Но азот может быть и опасным, если превышать его концентрацию. Безопасный азот обычно смешан с водородом в необходимых пропорциях. Азот необходим для разбавления кислорода, ведь чистый кислород тоже может быть губительным для живых организмов. Но если азот будет повышен, то это приведет к гипоксии, то есть понижению уровня кислорода в организме и внутренних органах. Вдыхаемый человеком азот не усваивается в организме, а выдыхается, так как служит только для защиты легких от кислорода.

Человек ежедневно сталкивается с тем, что было создано не без помощи азота. Азот нашел свое применение в различных областях и сейчас мы можем видеть его как в упаковках на прилавках магазинов, так и в медицине. К примеру, жидкую форму азота уже давно используют для транспортировки донорских органов.

Растения тоже не могут обойтись без азота и получают его из почвы в виде нитратов. В почве находится большое количество азота. Так потом он попадает в организмы животных, которые едят растения. Главным поставщиком азота являются бактерии, благодаря которым образовывается более ста тонн этого вещества.


Теплофизические свойства углекислого газа CO2 при атмосферном давлении

В таблице даны теплофизические свойства углекислого газа CO2 в зависимости от температуры (в интервале от -75 до 1500°С) при атмосферном давлении. Даны следующие теплофизические свойства углекислого газа:

  • динамическая вязкость, Па·с;
  • коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
  • число Прандтля.

По данным таблицы видно, что с ростом температуры теплопроводность и динамическая вязкость углекислого газа также увеличиваются. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 102. Не забудьте разделить на 100!

Заправка баллонов СО2 по весу

Как известно: CO2
, или
диоксид углерода
(углекислый газ, двуокись углерода, оксид углерода, угольный ангидрид) — это бесцветный газ (в нормальных условиях), без запаха, со слегка кисловатым вкусом. При атмосферном давлении диоксид углерода не существует в жидком состоянии, переходя непосредственно из твёрдого состояния в газообразное. Твёрдый диоксид углерода называют сухим льдом. При повышенном давлении и обычных температурах углекислый газ переходит в жидкость, что используется для его хранения.
Перекапывая информацию по баллонам СО2, я неоднократно натыкался на всякие графики указывающие на зависимости давления в баллоне или плотности сжиженного СО2 от температуры. Но собрать всё в кучу как-то не сильно получалось.
Лишь отрывками мелькали фразы: — заправлять СО2 надо по весу и только из расчёта 0.7 кг на 1л баллона. — в баллоне обязательно должна находится газовая подушка иначе баллон может взорваться при нагреве — если прикрутили редуктор и манометры показали более 7 МПа значит вам баллон заправили под самый вентиль (перелили) и это чревато взрывом, срочно надо стравить лишнее.

Читайте так же:
Дробление древесины в щепу

Теплопроводность углекислого газа CO2 в зависимости от температуры и давления

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO2 в интервале температуры от 220 до 1400 К и при давлении от 1 до 600 атм. Данные выше черты в таблице относятся к жидкому CO2.

Следует отметить, что теплопроводность сжиженного углекислого газа при увеличении его температуры снижается, а при увеличении давления — растет. Углекислый газ (в газовый фазе) становится более теплопроводным, как при увеличении температуры, так и при росте его давления.

Теплопроводность в таблице дана в размерности Вт/(м·град). Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000!

Теплопроводность двуокиси углерода CO2 в зависимости от температуры и давления - таблица 3

Заправка баллонов СО2 по весу

Как довод приводилась диаграмма агрегатных состояний СО2:

Рис. 1. Диаграмма состояния CO2. Заправка баллонов СО2 по весу
Эта диаграмма нормально работает и указывает на давление в баллоне только до критической точки. А что же будет после достижения температуры в 31*С? Неужели баллоны с CO2 выше этой температуры греть нельзя? А как же огнетушители у которых на боку написано -20*С. +50*С? Проскакивала ещё и зависимость плотности жидкого CO2 от температуры.

Рис. 2. Зависимость плотности жидкого СО2 от температуры
Эта зависимость только объясняла почему при росте температуры растёт давление. А вот каково это давление будет и почему нормальной заправкой считается 700г/л никак ответа не давала.

При дальнейших поисках информации о том что бывает в баллонах при температурах свыше 31*С, всплыло понятие «закретический флюид». Это, типа, ещё одно агрегатное состояние вещества, или нечто среднее между жидкостью и газом. Он достаточно хорошо сжимаем и при дальнейшем росте температуры баллона этот флюид за счёт своей сжимаемости не даёт давлению резко скакануть. Наиболее информативный график, который связывает все процессы в баллоне CO2, встретился на забугорных сайтах. Форумчанин перевел единицы измерения на привычные нам. Вот что получилось:

Рис. 3. Почему при росте температуры растёт давление. Заправка баллонов СО2 по весу
Горизонтальная чёрная шкала графика указывает количество CO2 в баллоне, за 100% принято значение 7/18 унций на кубический дюйм или 673г/л. Красная горизонтальная это привычные нам граммы на литр.

Вертикальная шкала — это давление в баллоне в фунтах на квадратный дюйм (черная) и в атмосферах (красная). На графике построено несколько кривых для фиксированных температур. Черта указывающая на пороговое давление построена на уровне 2200psi или 150атм. Это максимальное рабочее давление для баллонов СО2.

Примеры использования графиков расчета

Графиком достаточно легко пользоваться. Например, если мы хотим узнать что же будет в нормально заправленном баллоне (700г/л) при повышении температуры. Строим вертикальную черту напротив значения 700г/л. И по пересечению этой черты с кривыми считываем значения давления. Получается (примерно): при росте температуры до 26*С давление равномерно растёт до 65атм. Равномерность роста обусловлена тем что в баллоне присутствует газовая подушка и она своим сжиманием компенсирует увеличение объёма жидкой фракции. После 26*С газовая подушка прекращает своё существование т.к. жидкая фракция расширилась на весь объём баллона. Дальнейший рост температуры приведёт к ускоренному росту давления: 32*С-85атм, 38*С-100атм. при достижении 50*С будет 150атм (предел для баллона).

У баллона залитого из расчёта 800г/л газовая подушка исчезнет при 17*С. А максимально допустимое значение давления будет при 35*С. Баллон залитый по 900г/л может рвануть уже при комнатной температуре.

Если пользоваться графиком наоборот. Принесли домой из заправочной станции баллон. Он прогрелся до 21*С и на манометре стрелка показала слишком много, например 100атм. Сколько ж залили на станции? По графику выходит 860г/л. И такой баллон может бахнуть при 25*С.

Или ситуация — газ заканчивается, стрелка поползла вниз. Сколько осталось? Например при 21*С 40атм. По графику выходит где-то 180г/л. В общем, график достаточно удобен для понимания и знания теории процессов со сжатым СО2. Ну, а на практике — не превышайте норму заправки в 700г/л и не выжимайте последние «бульбышки» из пустого баллона.

Теплопроводность углекислого газа CO2 в критической области

В таблице представлены значения теплопроводности углекислого газа CO2 в критической области в интервале температуры от 30 до 50°С и при давлении от 62 до 80 атм. Примечание: будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность двуокиси углерода CO2 в критической области - таблица 4

Теплопроводность диссоциированного углекислого газа CO2 при высоких температурах

В таблице представлены значения теплопроводности диссоциированного углекислого газа CO2 в интервале температуры от 1600 до 4000 К и при давлении от 0,01 до 100 атм. Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Теплопроводность жидкого углекислого газа CO2

В таблице представлены значения теплопроводности жидкого углекислого газа CO2 на линии насыщения в зависимости от температуры. Примечание: Будьте внимательны! Теплопроводность в таблице указана в степени 103. Не забудьте разделить на 1000! Теплопроводность в таблице указана в Вт/(м·град).

Источники: 1. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. 2. Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов ядерной техники. М.: Атомиздат, 1967. — 474 с.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector