Колко пъти ще се промени въздушният поток? Газови смеси. Два газа в цилиндър с бутало или преграда

Тема на урока: Газови закони. Закони на хидростатиката и хидродинамиката.

Газът е едно от агрегатните състояния на веществото, в което неговите частици се движат свободно, запълвайки равномерно пространството, на което разполагат. Те упражняват натиск върху черупката, която ограничава това пространство. Плътността на газа при нормално налягане е с няколко порядъка по-малка от плътността на течността.

Закони на газовата динамика

• Закон на Бойл-Мариот (изотермичен процес)
• Закон на Чарлз (Изохоричен процес) и Гей-Лусак (Изобарен процес)
• Закон на Далтон
• Законът на Хенри

• Закон на Паскал
• Закон на Архимед
• Закон на Ойлер-Бернули

Закон на Бойл-Мариот (изотермичен процес)

• За дадена маса газ M при постоянна температура T, неговият обем V е обратно пропорционален на налягането P: PV=const, P 1 V 1 = P 2 V 2, P 1 и P 2 са началната и крайната стойност на налягането, V 1 и V 2 са началната и крайната стойност на налягането.
• Заключение - Колкото пъти се увеличава налягането, толкова пъти обемът намалява.
• Използвайки този закон, можете да разберете колко пъти се увеличава консумацията на въздух за дишане на подводен плувец с увеличаване на дълбочината, както и да изчислите времето, прекарано под вода.
• Пример: V на цилиндъра = 15 l, P на цилиндъра = 200, Bar V на белите дробове = 5 l, D дълбочина = 40 m Колко време ще издържи цилиндърът на тази дълбочина? Ами ако човек прави 6 вдишвания в минута? 15x200 = 3000 литра въздух в цилиндъра, 5x6 = 30 l/min – въздушен поток за минута на повърхността. На дълбочина 40m, P abs =5 bar, 30x5=150 l/min на дълбочина. 3000/150= 20мин. Отговор: ще има достатъчно въздух за 30 минути.

Закон на Чарлз (Изохоричен процес) и Гей-Лусак (Изобарен процес)

• За дадена маса на газ M at постоянен обемVналягането е право пропорционално на промяната в неговата абсолютна температура T: P 1 xT 1 = P 2 xT 2
• За дадена маса на газ M at постоянно налягане Pобемът на газа се променя право пропорционално на промяната в абсолютната температура T: V 1 xT 1 = V 2 xT 2
• Абсолютната температура се изразява в градуси Келвин. 0°С=273°К, 10°С=283°К, -10°С=263°К
• Пример: Да предположим, че цилиндър е бил напълнен със сгъстен въздух под налягане от 200 бара, след което температурата се е повишила до 70°C. Какво е налягането на въздуха вътре в цилиндъра? P 1 =200, T 1 =273, P 2 =?, T 2 =273+70=343, P 1 xT 1 = P 2 xT 2, P 2 =P 2 xT 2 /T 1 =200×343/273 = 251 бара

Закон на Далтон

• Абсолютното налягане на смес от газове е равно на сумата от парциалните (парциалните) налягания на отделните газове, които съставят сместа.
• Парциалното налягане на газа P g е пропорционално на процента n на дадения газ и абсолютното налягане P abs на газовата смес и се определя по формулата: P g = P abs n/100. Този закон може да се илюстрира чрез сравняване на смес от газове в затворен обем с набор от тежести с различни тегла, поставени върху скала. Очевидно всяка от тежестите ще упражнява натиск върху везната, независимо от наличието на други тежести върху нея.

Законът на Хенри

• Количеството газ, разтворен в течност, е право пропорционално на нейното парциално налягане.Ако парциалното налягане на газ се удвои, тогава количеството на разтворения газ се удвоява. Когато плувецът се гмурка, P abs се увеличава, следователно количеството газ, вдишван от плувеца, става по-голямо и съответно се разтваря в по-големи количества в кръвта. Докато се изкачвате, налягането намалява и газът, разтворен в кръвта, излиза под формата на мехурчета, точно както когато отворите бутилка газирана вода. Този механизъм е в основата на DCS.

Закони на хидростатиката и хидродинамиката

За водата, както и за газовете, поради тяхната течливост е изпълнен законът на Паскал, който определя способността на тези среди да предават налягане. За тяло, потопено в течност, законът на Архимед е изпълнен поради действието върху повърхността на тялото на налягане, създадено от течността поради нейното тегло (т.е. действието на гравитацията). За движещи се течности и газове е валиден законът на Ойлер-Бернули.

Закон на Паскал

Натискът върху повърхността на течност (или газ), произведен от външни сили, се предава от течността (или газа) еднакво във всички посоки.

Действието на този закон е в основата на работата на всички видове хидравлични устройства и устройства, включително водолазни съоръжения (цилиндри - скоростна кутия - дихателна машина)

Закон на Архимед

Всяко тяло, потопено в течност (или газ), се въздейства от тази течност (или газ) чрез сила, насочена нагоре, приложена към центъра на тежестта на изместения обем и равна по големина на теглото на течността (или газа) изместен от тялото.

Q= yV

при – специфично тегло на течността;

V- обемът на водата, изместен от тялото (потопен обем).

Законът на Архимед определя такива качества на телата, потопени в течност, като плаваемост и устойчивост.

Закон на Ойлер-Бернули

Налягането на течаща течност (или газ) е по-голямо в онези участъци от потока, в които скоростта на движение е по-ниска, и обратно, в тези участъци, в които скоростта на движение е по-голяма, налягането е по-малко .

Задачи

Решение.

Решение.

Примери

20-литрова кислородна бутилка е под налягане
10 MPa при 15 ºС. След изразходване на част от кислорода налягането спадна до 7,6 MPa, а температурата падна до 10 ºС.

Определете масата на консумирания кислород.

От характеристичното уравнение (2.5)

Следователно, преди кислородът да бъде изразходван, неговата маса се състоеше

килограма,

и след консумация

килограма.

Следователно консумацията на кислород

ΔМ = М 1 –М 2= 2,673 - 2,067 = 0,606 кг.

Определете плътността и специфичния обем на въглеродния окис COпри налягане 0,1 MPa при температура 27 ºС.

Специфичният обем се определя от характеристичното уравнение (2.6)

m 3 /kg .

Плътност на въглероден окис (1,2)

kg/m3.

Цилиндър с подвижно бутало съдържа кислород при
T= 80 ºС и вакуум (вакуум), равен на 427 hPa. При постоянна температура кислородът се компресира до свръхналягане
p навън= 1,2 MPa. Барометрично налягане IN= 933 hPa.

Колко пъти ще намалее обемът на кислорода?

Отговор:V 1 / V 2 = 22,96.

В помещение с площ 35 м2 и височина 3,1 м въздухът е при T= 23 ºС и барометрично налягане IN= 973 hPa.

Колко въздух ще проникне от улицата в стаята, ако барометричното налягане се увеличи до IN= 1013 hPa. Температурата на въздуха остава постоянна.

Отговор:М = 5,1 кг .

Съд с обем 5 m3 съдържа въздух при барометрично налягане IN= 0,1 MPa и температура 300 ºС. След това въздухът се изпомпва, докато в съда се образува вакуумно налягане от 80 kPa. Температурата на въздуха след изпомпване остава същата.

Колко въздух е изпомпван? Какво ще бъде налягането в съда след изпомпване, ако останалият въздух се охлади до температура T= 20 ºС?

Отговор:Изпомпани са 2,43 kg въздух. След охлаждане на въздуха налягането ще бъде 10,3 kPa.

Въздухонагревателят на парния котел се захранва от вентилатор с 130 000 m 3 /h въздух с температура 30 ºС.

Определете обемния дебит на въздуха на изхода на въздушния нагревател, ако той се нагрява до 400 ºС при постоянно налягане.

Отговор:V= 288700 m 3 /h.

Колко пъти ще се промени плътността на газа в съда, ако при постоянна температура показанието на манометъра намалее от стр. 1= 1,8 MPa до стр. 2= 0,3 MPa?

Вземете барометрично налягане равно на 0,1 MPa.

Отговор:

Съд с обем 0,5 m3 съдържа въздух при налягане 0,2 MPa и температура 20 ºC.

Колко въздух трябва да се изпомпва от съда, така че вакуумът в него да е 56 kPa, при условие че температурата в съда не се променя? Атмосферното налягане според живачен барометър е 102,4 kPa при температура на живака в него, равна на 18 ºС. Вакуумът в съда се измерва с живачен вакуумметър при температура на живака 20 ºС.

Отговор: М= 1,527 кг.

Често трябва да решаваме задачи, в които не се разглеждат отделни газове, а техните смеси. При смесване на химически нереагиращи газове с различни налягания и температури обикновено е необходимо да се определи крайното състояние на сместа. В този случай се разграничават два случая (Таблица 1).

маса 1

Смесване на газ*

	Температура, К	Налягане, Pa	Обем, m 3 (обемен дебит, m 3 / h)
Смесване на газове при V=конст
Смесване на газови потоци**
* - всички уравнения, свързани със смесването на газовете, са изведени при липса на топлообмен с околната среда; ** - ако масовите дебити ( M 1, M 2, ...M n, kg/h) потоците на смесване са равни.

Тук k i– отношение на топлинните мощности на газовете (виж формула (4.2)).

Газовите смеси се разбират като механична смес от няколко газа, които не взаимодействат химически помежду си. Съставът на газовата смес се определя от количеството на всеки газ, включен в сместа, и може да бъде определен по маса m iили обемен r iсподеля:

m i = M i / M; r i = V i / V, (3.1)

Където М и- тегло аз-ти компонент

V i– частичен или намален обем аз-ти компонент;

М, Vса съответно масата и обемът на цялата смес.

Това е очевидно

M 1 + M 2 +...+M n = M; m 1 + m 2 +…+m n = 1, (3.2)

V 1 + V 2 +...+ V n = V ;r 1 + r 2 +…+r n = 1, (3.3)

Връзка между налягането на газовата смес Ри парциално налягане на отделните компоненти p iвключена в сместа се задава Закон на Далтон

Страхът от потапяне е един от най-големите страхове на човека. Присъщо е дори на водолази с добър опит. Каква е същността на този страх? Най-често това не е страх от фауната на дълбините, нито страх от декомпресионна болест. И дори високото дълбоко налягане, както и загубата на съзнание в резултат на хипервентилация, не ни плашат толкова, колкото ни плаши възможността да попаднем в глупава ситуация.

Гмуркането изисква от нас много специфични умения. И когато се занимаваме с този спорт, повече се страхуваме да не изглеждаме недостатъци в очите на другите. Страх ни е да бъдем под техния поглед, страх от техните оценки.

Разбира се, гмуркането не е състезание, но често ние самите му задаваме тон, особено когато става въпрос за личен опит и умения.

Способността за правилно изразходване на въздуха под вода е един от признаците на опит. Именно по това, както и по способността за отпускане и контролиране на плаваемостта на плавниците, най-често се оценява подводното умение. Не можете да скриете от партньорите си липсата на въздух и нуждата да изплувате до върха, особено когато цялата група е принудена да прекъсне гмуркането заради вас. Никой не иска да бъде първият, който стиска палци.

И тези постоянни самохвални сравнения на кого му е останал повече въздух също са депресиращи...

А манометърът ти показваше 15 бара. Но вие, разбира се, се надявахте против надеждата, че това ще убегне вниманието на вашия подводен водач. И вашият партньор и съпруга в едно лице имаше резерв от 90. И, за да бъда напълно честен, вече сте се уморили да мислите с всяко гмуркане, че най-вероятно накрая ще трябва да заемете нейния октопод.

Но не трябва да окачвате перките си на стената в отчаяние или да бързате да купите чифт, защото консумацията на въздух от белите дробове не е предразположена от вашите гени. Ефективното дишане е умение. Освен това, това е най-важното адаптивно умение, което придобиваме по време на гмуркане. Но върху всяко умение може да се работи и дишането не е изключение.

Още при следващото си гмуркане имате възможност да спестите въздух.

И така, ако нашият водолаз е мъж от 30 до 45 години, със средна физическа подготовка, който, гмуркайки се в топла вода със стандартен 10-литров алуминиев цилиндър, може да диша нормално на дълбочина 22 метра.

При такива условия цилиндърът издържа средно 20 минути.

Нашият съвет ви позволява да увеличите това време с още 5-17 минути.

Разбира се, ако вече използвате някои от тези препоръки, тогава ще бъде добавено малко по-малко време.

1. Дихателният цикъл трябва да се промени.

Трябва да промените реда на задържане на дъха си. Ако на сушата правим пауза при издишване (вдишване, след това издишване и след това пауза), то под вода, при отпуснат водолаз, самото дишане се променя по такъв начин, че паузата се прави веднага след вдишване: вдишване, след това пауза, след това издишайте, отново вдишайте и едва тогава - пауза. Дължината на паузата при вдишване, както и степента на релаксация, отличават начинаещия от опитен водолаз.

Дългата пауза при спокойно дишане намалява консумацията на въздух. Релаксацията помага да се избегне баротравма по време на пауза, дори при изкачване на по-малка дълбочина.

2. Опитайте се да дишате дълбоко.

Вдишвайте бавно, дълбоко и спокойно. Знаете тази аксиома от първия урок, но каква е необходимостта от такова дишане?

Под налягане въздухът в нашата дихателна система се движи малко по-различно. А в самия въздух, освен кислород, има плътни газове. Честото дишане в такава ситуация не позволява усвояването на кислорода. Трябва да забавите дишането си, за да не изтласквате въздуха през дихателните органи, а да позволите на кислорода да проникне добре в белите дробове. И колкото по-дълбоко се гмуркате, толкова по-дълбоко и по-бавно трябва да става дишането ви, това ще осигури нормален обмен на кислород.

3. Постигнете бавност и отпуснатост в движенията.

Тъй като водата е 800 пъти по-плътна от въздуха, няма да можете да се движите с нормалната си скорост под вода без много усилия. Това означава, че ще използвате повече въздух. Движете се много бавно, ставайки отпуснати и безтегловни, като мим, който прави забавен каданс. Нека движенията ви са плавни, леки, без никакво усилие.

Много водолази се възползват от практикуването на йога и различни техники за релаксация - такива практики ви позволяват да забавите още повече скоростта на дишане.

4. Много е важно да не правите излишни движения с ръцете си.

Не използвайте ръцете си, когато плувате, а използвайте перките си, за да гребете бавно и умишлено. Не бъдете като колоездач, който върти педалите по-бързо и по-силно, докато се изкачва по стръмен хълм. Скръстете ръцете си на гърдите или надолу покрай тялото си, или ги пъхнете зад гърба си под резервоара или под колана за тежести отпред. За да постигнете необходимото в нашия случай състояние на безтегловна релаксация, трябва да постигнете неутрална плаваемост – важно умение за пестене на въздух.

5. Научете неутрална плаваемост.

Когато сте успели, вие сте абсолютно неподвижни и се чувствате сякаш сте напълно увиснали във водата. И тази вода около тялото ви ви държи. Това е едно от най-прекрасните усещания и това прави движенията ни под вода ефективни.

Стандартът за проверка за идеална плаваемост е следният: вземете със себе си минималното тегло, с което е възможно безопасно спиране на дълбочина 3-5 метра с оставащи 30 бара в цилиндъра, без въздух или с минимума му в компенсатор. Целта е да се поддържа неутрална плаваемост, независимо от дълбочината, като се коригира само с дишане.

6. Опитайте се да държите тялото си хоризонтално.

Сега, когато знаете как да се претегляте правилно, като използвате компенсатор на плаваемостта, докато сте в неутрална безтегловност, ще можете да се движите хоризонтално във водата. Това е най-ефективният начин. Ако тялото ви е възможно най-успоредно на посоката на движение, това ще ви спести въздух. Най-често начинаещите, движещи се под ъгъл спрямо вектора на движение и освен това извършвайки много ненужни движения, губят въздух и енергия непродуктивно.

7. Необходимо е да подредите оборудването и да се опитате да го направите по-рационализирано.

За да намалите нивото на устойчивост на водните елементи, трябва да държите всички маркучи възможно най-близо до вас. Използвайте малък цилиндър с обема газ за дишане, от който се нуждаете за дадено гмуркане. Рационализирането на компенсатора е от голямо значение; неговата подемна сила трябва да съответства на условията, в които се гмуркате.
По-добре е да поставите различни предмети, от които се нуждаете по време на гмуркането, в джобовете на компенсатора.
Не е необходимо да вземете баластно тегло, изключение ще бъде товарът, който ще ви е необходим по време на безопасно спиране, на дълбочина 3-5 метра. Също така е възможно да се намали броят на маркучите чрез използване на алтернативен тип източник на въздух или надувател, както и компютър с възможност за свързване без използване на маркучи. Вземете само необходимото оборудване за вашето гмуркане.

8. Значението на регулатора на дишането.

Въпреки привидната лекота, дишането под вода е доста трудна и отнемаща време задача.
Това изисква определени физически разходи и умения. За да се намали натоварването, е необходимо да се използва регулатор с висока мощност, най-висока производителност.
Не забравяйте да изплакнете старателно регулатора преди гмуркане. Важно е да го носите на технически експерти веднъж на дванадесет месеца. проверка, както и всеки път преди използване на регулатора, ако преди това не сте го използвали дълго време. Опитайте се да настроите контролите за лекота на дишане на максимална позиция, но се уверете, че въздухът не излиза от цилиндъра по произволен начин.

9. Техники за спестяване на въздух чрез престой на повърхността на водата.

Останете на повърхността колкото е възможно повече, дишайте или в тръба, или леко надуйте компенсатора, и плувайте по гръб. Ефективността на движенията по повърхността на водата е намалена, но ще имате достатъчно въздух за дишане. Гмуркането на плитки дълбочини изисква по-малко въздух. Няма да е необходимо да сърфирате често, за да определите къде се намирате, което ви позволява да останете под водата по-дълго.

10. Потискане на произволната загуба на въздух.

Има случаи на неизбежна консумация на въздух, например за изравняване на налягането, продухване на маска, регулиране на плаваемостта, създаване на въздушен слой в сухи костюми. Когато премахвате регулатора, включете функцията за потискане на въздушния поток, ако има такава. Контролирайте позицията на мундщука; той трябва да бъде обърнат надолу. О-пръстените на водолазното снаряжение също понякога могат да изтекат, но обикновено само минимално количество въздух излиза през тях. Илюзията, че можете да използвате въздуха по-икономично, като взривите компенсатора под вода с уста, е просто илюзия. Инфлаторът с мощност е по-предпочитан и ефективен в този случай. Докато сте на повърхността, има смисъл да направите това, като спазвате необходимите мерки за безопасност.

11. По-малко натоварване, повече спестявания.

Колкото по-малко използвате перките си под вода, толкова по-малко въздух ще губите. Използвайте силата на течението, при гмуркане и изкачване използвайте контрол на плаваемостта, при движение по дъното използвайте върховете на пръстите си, при условие че това не уврежда околната среда.

12. Стойте на топло.

Колкото по-топло ви е под водата, толкова по-малко въздух ще използвате. Дори в тропиците, където температурите на водата достигат тридесет градуса, губите много топлина, когато се гмуркате без неопренов костюм. В резултат на това се уморявате по-бързо, започвате да дишате по-често и по този начин увеличавате консумацията на въздух. Въз основа на това изберете неопренов костюм, който ви осигурява най-добрата защита от студа. Най-добрият вариант е сух неопренов костюм в комплект с термо бельо.

13. Значението на физическата годност.

Добрата физическа форма ви позволява да използвате по-добре кислорода във въздуха. Правилното хранене, релаксация без различни стресове, редовни спортни занимания, отказ от цигари и алкохол, всичко това ще ви даде възможност да понесете по-лесно гмуркането и да пестите въздух.

14. Опит и ниво на обучение.

Колкото по-често се гмуркате под вода, толкова повече подобрявате уменията си за дълбоко гмуркане. Различни курсове по гмуркане, наблюдавани от опитни инструктори, ще повишат вашето ниво и разбиране на тактиката на гмуркане. Обучението по водни и подводни спасителни операции ще ви осигури добра физическа подготовка. Всичко това несъмнено ще ви помогне да разберете подводния свят, както и да се научите да се чувствате спокойни и свободни под водата.

15. Избор и експлоатация на перки.

Според различни тестове няма универсална перка, подходяща за всички подводни ентусиасти. Когато избирате, трябва да разчитате на вашия опит, физическа подготовка, както и умения за работа с перки.
Принципите на работа с плавници са следните: във водата трябва да се движите в хоризонтално положение, ударите се извършват с прав крак от бедрото, не трябва да се напрягате много, да сте нервни и да правите различни шутове и т.н. На.
Плавниците с големи размери и висока твърдост не са най-ефективните, тъй като създават ненужен стрес върху краката. Когато избирате, обърнете основно значение и внимание на удобството на перките.

16. Отпуснете се.

Това е основната тайна за спестяване на дихателни ресурси. Не се опитвайте да сте в крак с някого.
Хората имат различни параметри: физически, психологически, метаболитни и така нататък и така нататък. Голям, физически силен, обучен мъж няма да може да се конкурира с миниатюрна, крехка жена по въпроса за спестяването на въздух. Жената ще изразходва много по-малко въздух при дишане от мъжа и няма спасение от това.
Разбирането на тези прости правила може значително да намали риска от гмуркане и гмуркане.

Точното изчисляване на въздуха за гмуркане е вторият по важност фактор след безупречното техническо състояние на оборудването. Тъй като тази задача съществува от изобретяването на водолазното оборудване, отдавна са разработени специални методи за изчисляване на необходимия обем въздух. Основата е обемът въздух, необходим на един водолаз за минута и след това получената стойност се разделя на обема газ в цилиндъра.

Тези изчисления се усложняват от факта, че консумацията на въздух зависи от физическата активност. При тихо плуване е много по-малко, отколкото при интензивно използване на плавници. Друг фактор, който също винаги се взема предвид, е дълбочината на потапяне. Колкото по-голяма е дълбочината, толкова по-високо налягане трябва да се подава въздух. Всички взети под внимание фактори могат да бъдат представени като списък:

1. Обем на цилиндъра.
2. Налягане в цилиндъра.
3. Консумация на въздух за минута (означена като RMV)
4. Дълбочина на потапяне.

Първите два параметъра могат да бъдат много точни. Тяхната точност зависи само от това колко добре отговарят на посочения обем, както и колко точно е регулиран клапанът на помпата, която е използвана за пълнене. Компресорът се изключва в края на пълненето с помощта на сензор за налягане. Той е отговорен за това обемът на въздуха в цилиндъра да съответства точно на обявения обем.

Най-трудната част е изчисляването на RMV. Точни данни могат да се получат само експериментално. Точно това правят, когато обучават водолази. Ученикът запаметява показанията на манометъра в различни режими на гмуркане, плавайки по течението, издигайки се или неподвижен. След това, въз основа на получените данни, се извлича индивидуален показател RMV. Данните се записват в таблица с три колони: време и дълбочина на гмуркане и налягане в резервоара с помощта на манометър. Чрез преизчисляване на налягането в цилиндъра по обем (трябва само да умножите индикаторите), ще получим точната стойност на консумацията на въздух за минута и ще направим корекции за натоварване и дълбочина.

Ако няма време за такива измервания, които изискват пробни гмуркания с инструктор, тогава се вземат общи показатели. Те се изчисляват с определен запас, който е необходим за покриване на всички индивидуални характеристики. Така разходът на въздух на повърхността от водолаз с тегло 80 kg е 20 - 25 l/min. (Реално малко по-малко - 16 - 22 л). Жените имат още по-малка консумация на въздух. След това се прави корекция за дълбочина. С увеличаване на дълбочината на гмуркане необходимият обем въздух се увеличава много бързо. На 50 метра (максималната дълбочина за любителско гмуркане) ви трябва почти два пъти повече (около 40 л/мин.).

Максималното налягане при вдишване е различно за различните смеси. За кислорода е само 1,3 - 1,4 атм. Поради тази причина са необходими специални смеси за дълбоководно гмуркане. При съставянето те се опитват да гарантират, че съдържанието на кислород в тях е малко по-различно от естественото в обикновения въздух. Съдържанието на азот в дълбоководната смес също е намалено, тъй като ако използвате обикновен въздух, азотната наркоза започва още на 30 метра. За най-дълбоките гмуркания сместа хелий-кислород е оптимална. Почти не се използва при любителско гмуркане. Пълненето на цилиндри с хелий е трудно, тъй като той има свръхвисока пропускливост, но когато се смеси с кислород, този недостатък е почти елиминиран.

При използване на чист въздух също има значение къде е напълнен цилиндърът. Тук има само едно основно изискване. Чистотата на въздуха е необходима. Затова е по-добре с електрическо задвижване. Тогава рискът от въглероден окис и излишък на въглероден диоксид е минимален. Оптимално е бутилките да се презареждат на екологично място, например на брега на морето или в провинцията.