气体的特征参数.doc

第1章气体特征参数的確立及过程方程式的建立

概述

由于SF6是一种强温室效应气体，其在低温下有个液化问题，纯SF6气体不适于极端低温地区使用。目前人们一方面采用N2和CF4等与SF6混合后的气体，另一方面使用纯CO2气体替代，以解决上述问题。

为了上述目标，我们有必要对这些气体进行分、合闸特性的计算。由于有关书藉中提供的参数不全，给我们的编制和计算带来了极大的困难。为解决此问题，我们有必要从热力学和气体动力学中了解一些公式的推导过程，从而使我们可以在了解局部参数的情况下，将其它参数推导出来。

另外，我们为了分析这些气体的熄弧性能，有必要了解其气体流速、比热容、离解能、离解顶峰、电解能、电子亲和能和电负性等参数。

1.2气体的特征参数

1.2.1气体的密度

气体的密度与其分子量有关，而其分子量又决定于其原子量。现将局部原子量和分子量的有关数据列于表1.1和表1.2：

表1.1相关元素的原子量

H

C

N

O

F

S

原子量

1.0080

12.010

14.008

16.00

19.00

32.066

表1.2局部气体的分子量

N2

空气

SF6

CO2

CF4

SF6+CF4

50%+50%〔L/L〕

分子量

28．016

28.813

146.048

44.029

88.035

117.042

气体的摩尔定律

摩尔定律認为：理想气体的质量以克表示等于分子量时，在一个大气压下，其占有的体积为22.4升。由此可计算出其密度。其仅适用于理想气体，对于分子量较大的SF6和CF4就会产生一些误差。现将N2和空气的密度计算出来，并与SF6、CO2和CF4一起列于下表：

表1.3.0.1MPa和293.16K时局部气体的密度单位：kg/m3

N2

空气

SF6

CO2

CF4

SF6+CF4

50%+50%〔L/L〕

密度〔ρ〕

1.251

1.286

6.07

1.806

3.611

4.48

气体状态方程式

可用克拉伯龙方程式表示气体状态：

PV=nR1T〔1.1〕

n=m/M

其中P：压强，V：气体体积；n：物质的量；T：绝对温度；m：物质的质量；M：物质的摩尔质量，数值上等于物质的分子量；R1：摩尔气体常数，所有气体R1值均相同。

克拉伯龙方程式也可写成以下形式：

P/ρ=RT〔1.2〕

其中：ρ=m/V；压强，R=R1/M目前一般使用的气体常数，此常数仅对某一气体而言。

在标准状态下，1摩尔理想气体到达体积为22.4L，把P=101325Pa；T=273.16K；n=1mol；V=22.4L代入可得：

R1=8314Pa·L/(mol·K)〔1.3〕

根据R=R1/M，我们可以求出不同气体的气体常数R〔又称玻尔兹曼常数〕。现将局部气体的气体常数列于表1.4：

表1.4.局部气体的气体常数单位：J/(kg·K)

N2

空气

SF6

CO2

CF4

SF6+CF4

50%+50%〔L/L〕

气体常数〔R〕

296.76

288.6

56.93

188.53

94.44

75.69

注：按气体常数推出时的情况，其应该是在大气压和温度为0℃的条件下推导出来的。

气体状态参数的关系

比热容

在无耗散的准静态过程中，单位质量的气体，温度升高〔或降低〕1K所需参加〔或放出〕的热量称为气体的比热容，用符号c表示。比热容的单位是J/(kg·K)计算式为

(1.4)

式中符号表示在微分过程中传递的微小量，以便与状态量的微小增量d〔全微分符号〕区分开。

对气体加热，可以在各种不同条件下进行，例如可以在容积不变或在压强不变的条件下加热，也可以同时改变容积、压强和温度的条件下加热。同一种气体，加热时的条件不同，比热容的数值也不同。相应于定容过程的比热容称为比定容热容，用表示。那么有

(1.5)

比定容热容的另一种定义是：1kg气体的内能在保持比体积不变的条件下。随温度的变化，即对温度的偏微分称为比定容热容,对于完全气体，气体的内能仅是温度的函数，因此有。

相应于无耗散准静