Mô hình đơn giản hóa Chất khí

Phương trình trạng thái (đối với chất khí) là một mô hình toán học được sử dụng để mô tả hoặc dự đoán gần đúng các đặc tính trạng thái của chất khí. Hiện nay, không có một phương trình trạng thái nào dự đoán chính xác các tính chất của tất cả các chất khí trong mọi điều kiện. Do đó, một số phương trình trạng thái chính xác hơn nhiều đã được phát triển cho các chất khí ở các dải nhiệt độ và áp suất cụ thể. Các "mẫu khí" được bàn luận nhiều nhất là "khí hoàn hảo", "khí lý tưởng" và "khí thực". Mỗi mô hình này có một tập hợp các giả thiết riêng để tạo điều kiện thuận lợi cho việc phân tích một hệ thống nhiệt động lực học nhất định.[12] Mỗi mô hình kế tiếp sẽ mở rộng phạm vi bao phủ nhiệt độ mà nó áp dụng.

Mô hình khí lý tưởng và khí hoàn hảo

Phương trình trạng thái của khí lý tưởng hoặc khí hoàn hảo là định luật khí lý tưởng:

P V = n R T , {\displaystyle PV=nRT,}

trong đó P là áp suất, V là thể tích, n là lượng khí (tính theo đơn vị mol), R là hằng số khí phổ quát, 8.314   J / (mol   K), và T là nhiệt độ. Được viết theo cách này, nó đôi khi được gọi là "phiên bản của nhà hóa học", vì nó nhấn mạnh số phân tử n. Nó cũng có thể được viết là

P = ρ R s T , {\displaystyle P=\rho R_{s}T,}

trong đó R s {\displaystyle R_{s}} là hằng số khí cụ thể đối với một khí cụ thể, tính bằng đơn vị J / (kg   K), và ρ = m / V là mật độ. Ký hiệu này là phiên bản "động lực học khí", thực tế hơn trong việc mô hình hóa các dòng khí liên quan đến gia tốc mà không có phản ứng hóa học.

Định luật khí lý tưởng không đưa ra giả thiết về nhiệt dung riêng của chất khí. Trong trường hợp chung nhất, nhiệt dung riêng là hàm của cả nhiệt độ và áp suất. Nếu bỏ qua sự phụ thuộc áp suất (và có thể cả sự phụ thuộc vào nhiệt độ) trong một ứng dụng cụ thể, đôi khi chất khí được cho là một chất khí hoàn hảo, mặc dù các giả thiết chính xác có thể khác nhau tùy thuộc vào tác giả và / hoặc lĩnh vực khoa học.

Đối với khí lý tưởng, định luật khí lý tưởng được áp dụng không giới hạn nhiệt dung riêng. Khí lý tưởng là một "khí thực" được đơn giản hóa với giả thiết rằng hệ số nén Z được đặt bằng 1 nghĩa là tỷ số khí nén này không đổi. Hệ số nén của một cũng yêu cầu bốn biến trạng thái tuân theo định luật khí lý tưởng.

Sự xấp xỉ này phù hợp hơn cho các ứng dụng trong kỹ thuật mặc dù các mô hình đơn giản hơn có thể được sử dụng để tạo ra phạm vi "ball-park" về vị trí của giải pháp thực sự. Một ví dụ trong đó "ước lượng khí lý tưởng" sẽ phù hợp là bên trong buồng đốt của động cơ phản lực.[13] Nó cũng có thể hữu ích để giữ các phản ứng cơ bản và sự phân ly hóa học để tính toán lượng khí thải.

Khí thực

Sự phun trào ngày 21 tháng 4 năm 1990 của Núi Redoubt, Alaska, minh họa cho các khí thực không ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực học.

Mỗi một trong số các giả định được liệt kê dưới đây sẽ làm tăng thêm độ phức tạp của giải pháp cho vấn đề. Khi mật độ của một chất khí tăng lên cùng với áp suất tăng, các lực giữa các phân tử đóng một vai trò quan trọng hơn trong hành vi của chất khí, dẫn đến định luật khí lý tưởng không còn cung cấp các kết quả "hợp lý". Ở phần cuối trên của dải nhiệt độ động cơ (ví dụ phần đốt cháy - 1300 K), các phần tử nhiên liệu phức tạp hấp thụ năng lượng bên trong bằng các chuyển động quay và dao động làm cho nhiệt dung riêng của chúng thay đổi so với các phân tử khí gồm hai nguyên tử và khí trơ. Ở nhiệt độ cao hơn gấp đôi nhiệt độ đó, sự kích thích và phân ly điện tử của các hạt khí bắt đầu xảy ra khiến áp suất điều chỉnh thành số lượng hạt lớn hơn (chuyển từ khí sang plasma).[14] Cuối cùng, tất cả các quá trình nhiệt động lực học được cho là mô tả các chất khí đồng nhất có vận tốc thay đổi theo một phân bố cố định. Sử dụng tình huống không cân bằng ngụ ý trường dòng chảy phải được đặc trưng theo một cách nào đó để tạo ra giải pháp. Một trong những nỗ lực đầu tiên để mở rộng ranh giới của định luật khí lý tưởng là bao gồm phạm vi bảo hiểm cho các quá trình nhiệt động lực học khác nhau bằng cách điều chỉnh phương trình để đọc pV n = hằng số và sau đó thay đổi n thông qua các giá trị khác nhau, chẳng hạn như tỷ nhiệt riêng, γ.

Hiệu ứng khí thực bao gồm những điều chỉnh được thực hiện để giải thích cho một loạt các hành vi của chất khí:

Đối với hầu hết các ứng dụng, một phân tích chi tiết như vậy là quá mức. Các ví dụ mà hiệu ứng khí thực sẽ có tác động đáng kể đến việc tái nhập cảnh của Tàu con thoi khi có nhiệt độ và áp suất cực cao hoặc các khí sinh ra trong các sự kiện địa chất như trong hình ảnh vụ phun trào năm 1990 của Núi Redoubt.