1.2. Физические единицы измерения

1.2.1. Давление 

Сила, с которой на квадратный сантиметр площади действует столб воздуха, поднимающийся от уровня моря и доходящий до верхнего края атмосферы, составляет примерно 10,13 Н. Поэтому абсолютное атмосферное давление на уровне моря приблизительно равно 10,13х104Н на квадратный метр и называется 1 Па (паскаль). Паскаль — единица измерения давления в системе СИ. Расчет основных величин показывает, что 1 бар = 1 х 105 Па. Чем выше вы находитесь над уровнем моря, тем ниже атмосферное давление, и наоборот.

1.2.2. Температура

Температуру газа, в отличие от давления, четко определить значительно труднее. Температура — показатель величины кинетической энергии молекул. Они движутся тем быстрее, чем выше температура, и всякое движение прекращается при абсолютном нуле. На этом основана шкала Кельвина. В остальных отношениях она градуирована точно так же, как и шкала Цельсия. Соотношения между температурами:

T= t + 273,2
Т—абсолютная температура, К
t —температура, °С

1.2.3. Теплоемкость

Удельная теплоемкость вещества представляет собой количество теплоты, необходимой для повышения температуры 1 кг этого вещества на 1 К. Соответственно, размерность теплоемкости будет Дж/(кг х К). Следовательно, размерность мольной теплоемкости будет Дж/(моль х К). Обычно используются следующие обозначения:

с_p – теплоемкость при постоянном давлении
с_v – теплоемкость при постоянном объеме
С_p – мольная теплоемкость при постоянном давлении
С_v – мольная теплоемкость при постоянном объеме

Теплоемкость при постоянном давлении всегда больше, чем теплоемкость при постоянном объеме. Теплоемкость вещества не является постоянной величиной и обычно возрастает с повышением температуры.

Для практического применения чаще всего может использоваться среднее значение. Для жидкостей и твердых веществ это с_p≈
с_v≈
с. Тогда мощность, потребляемая на нагрев массового расхода с t1 до t2, cоставит:

Q
≈m x c x (T2 — T1), где
Q – тепловая мощность, Вт
m – массовый расход, кг/с
с – удельная теплоемкость, Дж/(кг х К)
T – температура, К

Объяснением того, почему с_p превышает с_v, является работа по расширению, которую газ должен выполнить при постоянном давлении. Отношение с_p к с_v, называемое k, является функцией от количества атомов в молекуле:

     c_p    C_p
k = — = —
     c_v    C_v

1.2.4. Работа

Механическую работу можно определить как произведение силы на расстояние, на протяжении которого на тело действует сила.

Точно так же и для теплоты: работа представляет собой энергию, которая передается от одного тела к другому. Разница заключается в том, что вместо силы действует температура.

Примером может послужить сжатие газа в цилиндре за счет перемещения поршня. Сжатие происходит под действием силы, движущей поршень. В то же время энергия передается от поршня к находящемуся в цилиндре газу. Эта энергия преобразуется в работу в термодинамическом смысле. Сумма подводимой и передаваемой энергии всегда постоянна. Работа может дать разные результаты, например, изменение потенциальной энергии, кинетической энергии или тепловой энергии.

Механическая работа, связанная с изменениями объема газа или газовой смеси, является одним из важнейших процессов в термодинамике. Единицей работы в системе СИ является джоуль. 1 Дж = 1 Н∉м = 1 Вт∉с.

1.2.5. Мощность

Мощность представляет собой работу, выполняемую за единицу времени. Единицей мощности в системе СИ является ватт. 1 Вт = 1 Дж/с.

Например, мощность, подводимая к приводному валу компрессора расходуется на теплоту, излучаемую системой и теплоту, затрачиваемую на увеличение потенциальной энергии газа.

1.2.6. Объемный расход

Единицей измерения объемного расхода служит м3/с. Однако, когда говорят об объемном расходе, часто используют литры в секунду (л/с), как, например, в случае с компрессорами. Этот объемный расход называется производительностью компрессора и выражается либо в виде нормальных литров в секунду (Nл/с), либо в виде расхода газа со свободным выпуском (л/с).

При использовании единицы измерения «нормальный литр в секунду» (Nл/с) расход воздуха пересчитывается и приводится к «нормальному состоянию», т.е. 1,013 бар и 0°С. Эта единица используется преимущественно в том случае, когда вы хотите точно определить массовый расход.

Если вы имеете дело с расходом воздуха со свободным выпуском, то такой расход пересчитывается для стандартных условий впуска (давление впуска и температура впуска). Соответственно, вы определяете, сколько литров воздуха перекачивается, если бы он мог снова расшириться до состояния внешней среды. Соотношение между двумя объемными расходами (обратите внимание, что в приведенной ниже формуле не учитывается
влажность):

          Q_n x (273+t_i) x 1,013
Q_i = ———————————————, где
                   273 x p_i
Q_i – объемный расход как расход
со свободным выпуском, л/с
Q_n– объемный расход в нормальных
литрах в секунду, Nл/с
t_i – температура воздуха на впуске, °С
р_i – давление воздуха на впуске, бар