Загрузка...Простые вещества
Простые вещества
Вспомним таблицу Менделеева. Металлические свойства элементов, то есть способность отдавать электроны, в периоде увеличивается справа налево, а в группе — сверху вниз. На внешнем энергетическом уровне у металлов от 1-го до 3-х электронов. Металлы образуют кристаллическую решётку, в которой присутствует металлическая связь.
Теперь давайте поговорим об их физических свойствах. Существует множество свойств, которыми обладают металлы, и мы можем перечислить каждое из них:
- Металлы в основном находятся в твердом агрегатном состоянии, за исключением ртути, которая при обычных условиях находится в жидком агрегатном состоянии.
- Металлы обладают металлическим блеском.
- Металлы издают звонкие звуки при соударении.
- Металлы имеют высокую температуру плавления и различную плотность.
- Металлам присуще явление аллотропии. Аллотропия — это способность элемента образовывать несколько разных веществ. Например, возьмём олово, которое может быть белым и серым. Белое олово имеет вид металла, оно твердое. А серое олово имеет вид порошка.
- Металлы в основном серого цвета, за исключением меди и золота.
- Металлы очень хорошие проводники тепла и электричества.
Определение плотности газа по результатам измерения давления и температуры датчиками Arduino
Задача измерения параметров газовой смеси широко распространена в промышленности и коммерции. Проблема получения достоверной информации при измерении параметров состояния газовой среды и ее характеристик техническими средствами решается принятыми в стандартах методиками выполнения измерений (МВИ), например, при измерении расхода и количества газа с помощью стандартных сужающих устройств [1] или турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счетчиков [2].
Периодический газовый анализ позволяет установить соответствие между реальной анализируемой смесью и её моделью, по которой в МВИ учитываются физико-химические параметры газа: состав газовой смеси и плотность газа при стандартных условиях.
Также в МВИ учитываются теплофизические характеристики газа: плотность при рабочих условиях (давление и температура газа, при которых выполняют измерение его расхода или объёма), вязкость, фактор и коэффициент сжимаемости.
К параметрам состояния газа, измеряемым в реальном времени, относятся: давление (перепад давления), температура, плотность. Для измерения этих параметров соответственно используется измерительная аппаратура: манометры (дифманометры), термометры, плотномеры. Плотность газовой среды может измеряться прямым или косвенным методом. Результаты как прямого, так и косвенного методов измерения зависят от погрешности средств измерений и методической погрешности. Возможно, что в рабочих условиях на сигналы измерительной информации могут влиять значительные шумы, так что их среднеквадратичное отклонение превышает погрешность прибора. Эффективная фильтрация сигналов измерительной информации является реальной задачей.
В статье описана методика косвенного измерения плотности газа с использованием фильтра Калмана в эксплуатационных и стандартных условиях.
Математическая модель определения плотности газа
Вернемся к классике и вспомним уравнение состояния идеального газа [3]. Имеем:
1. Уравнение Менделеева-Клапейрона:
(1),
— давление газа;
— молярный объём;
R — универсальная газовая постоянная,
;
T — абсолютная температура, то есть T=273,16 K.
2. два параметра, которые необходимо измерить:
p – давление газа, Па
t – температура газа, °С.
Известно, что молярный объём зависит от объёма газа V и количества молей газа 
в этом объёме:
(2)
Известно также, что
(3),
Где: m — масса газа, M — молярная масса газа.
С учетом (2) и (3), (1) переписывается как
(4).
Мы знаем, что плотность материи
равна:
(5).
Из (4) и (5) можно получить уравнение плотности газа
:
(6)
И ввести имя параметра
, который зависит от молярной массы газовой смеси:
(7).
Если состав газовой смеси не меняется, то параметр k является константой.
Итак, для расчёта плотности газа необходимо рассчитать молярную массу газовой смеси.
Молярная масса смеси веществ определяется как среднее арифметическое взвешенных долей молярной массы индивидуальных веществ в смеси.
Примите за известный состав газов, содержащихся в воздухе, а именно:
- 23 % по весу из молекул кислорода
- 76 % по весу из молекул азота
- 1 % по весу из атомов аргона
, г/моль.
Рассчитаем молярную массу воздуха как среднее арифметическое взвешенное:
Теперь, зная значение постоянной
, мы можем вычислить плотность воздуха по формуле (7) с учетом измеряемых значений
и t:
Приведение плотности газа к нормальным, стандартным условиям
Свойства газа измеряются при различных физических условиях, и необходимо установить стандартный набор условий, чтобы сделать возможным сравнение между наборами данных [4].
Температура и давление задают стандарты, с которыми сравнивают вещества, свойства которых зависят от этих условий.
Различные организации устанавливают свои стандартные условия, например: Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC), установил в химии определение стандартной температуры и давления (STP): температура 0 °C (273,15 K), абсолютное давление 1 бар (Па); Национальный институт стандартов и технологий (NIST) устанавливает температуру 20 °C (293. 15 K) и абсолютное давление 1 атм (101 325 кПа), и этот стандарт называется нормальной температурой и давлением (NTP); Международная организация по стандартизации (ISO) устанавливает стандартные условия для природного газа (ISO 13443: 1996, подтверждено в 2013 году): температура 15,00 °C и абсолютное давление 101,325 кПа.
Поэтому в промышленной и коммерческой сферах для проведения расчетов необходимо указать стандартные условия для температуры и давления.
Плотность воздуха мы рассчитываем по уравнению (8) в рабочих условиях температуры и давления. В соответствии с (6) запишем уравнение для плотности воздуха в стандартных условиях: температура 
и абсолютное давление 
:
(9).
Делаем расчёт плотности воздуха, приведенной к стандартным условиям. Разделим уравнение (9) на уравнение (6) и запишем это отношение для 
:
/>(10).
Подобным образом, получим уравнение для расчёта плотности воздуха, приведенной к нормальным условиям: температура 
и абсолютное давление
:
(11).
В уравнениях (10) и (11) используем значения параметров воздуха , T и P из уравнения (8), полученные в рабочих условиях.
Реализация измерительного канала давления и температуры
Для многих задач информационного поиска, в зависимости от их сложности, удобно создать прототип будущей системы на базе одной из микроконтроллерных платформ, таких как Arduino, Nucleo, Teensy и др.
Что может быть проще? Создать систему измерения давления и температуры с помощью микроконтроллерной платформы, потратив, возможно, меньше денег, используя при этом все возможности разработки программного обеспечения с помощью Arduino IDE (интегрированной среды разработки).
Для этого на аппаратном уровне нам потребуются компоненты:
- Arduino (Uno, … ) — используйте его в качестве программатора;
- Микроконтроллер ATmega328P-PU — микроконтроллер для будущей платформы;
- Кварцевый резонатор 16 МГц и пара керамических конденсаторов, 12-22 пФ каждый (в соответствии с рекомендациями производителя)
- Кнопка сброса для сброса микроконтроллера и резистор 1 кОм, подающий питание на вывод RESET микроконтроллера;
- Датчик температуры и давления BMP180 с интерфейсом I2C;
- Преобразователь интерфейса TTL/USB;
- Расходные материалы — провода, припой, монтажная плата и т.д.
Рис. 1 — Принципиальная схема микроконтроллерной платформы для реализации системы измерения давления и температуры
Теперь рассмотрим этапы выполнения нашей задачи.
1. Прежде, нам нужен программатор. Подключаем Arduino (Uno, …) к компьютеру. В среде Arduno Software из меню по пути Файл->Примеры->11. ArdunoISP добираемся до программы программатора ArduinoISP, которую зашиваем в Arduino. Предварительно из меню Инструменты выбираем соответственно Плату, Процессор, Загрузчик, Порт. После Загрузки программы ArduinoISP в плату, наша Arduino превращается в программатор и готова к использованию по назначению. Для этого в среде Arduno Software в меню Инструменты выбираем пункт Программатор: “Arduino as ISP”.
2. С помощью проводов подключите ведомый микроконтроллер ATmega328P к ведущему Arduino (Uno и т.д.) через интерфейс SPI, рисунок 2. В предыдущей версии микроконтроллера ATmega328P биты Low Fuse Byte были незапрограммированы. Перейдите в среду Arduno Software и в меню Tools выберите Write Loader. Прошейте микроконтроллер ATmega328P.
Рис. 2 – Схема подключения микроконтроллера к программатору
3. После успешного обновления прошивки микроконтроллер ATmega328P готов к установке на разработанную платформу (рис. Программирование такое же, как и для полноценной Arduino (Uno, .). Как показано в Листинге 1, программа опроса датчика измеряет давление и температуру.
Рис. 3 Система измерения давления и температуры
Программа Python для фильтрации по каналам температуры и давления, и получение результатов
Программа на языке Python для определения плотности газа по результатам измерений давления и температуры показана в листинге 2. Информация в реальном времени выводится из измерительной системы.
На рисунках 1 и 2 представлены результаты расчета. 4, 5, 6.
Рис. 4 – результаты измерения (красный) и фильтрации (синий) давления
Рис. 5 – результаты измерения (красный) и фильтрации (синий) температуры
/>
Рис. 6 – результаты расчёта плотности воздуха, приведенной к стандартным условиям (температура 273.15 К; абсолютное давление 101.325 кПа)
Выводы
Был разработан метод определения плотности газа на основе измерений давления и температуры с использованием датчиков Arduino и программного обеспечения на языке Python.
Как определить, настоящий ли у вас газ
Газы, которые являются идеальными или идеальными, описываются законом идеального газа. Вы можете использовать значения для реальных газов до тех пор, пока они ведут себя как идеальные газы. Чтобы получить формулу для реального газа, он должен находиться при низком давлении и температуре. Более высокое давление или температура заставляют молекулы взаимодействовать, увеличивая их кинетическую энергию. Хотя закон идеального газа все еще является приближением в этих условиях, он становится менее точным, когда молекулы находятся близко друг к другу и возбуждены.
Химия 8 класс.
Урок№8 Количество вещества. Молярная масса. Молярный объём газа. Закон Авогадро..
Сегодня мы познакомимся с понятием «количество вещества» и единицей его измерения (1 моль), узнаем о постоянной Авогадро и законе Авогадро. Изучим формулы для вычисления молярной массы и молярного объема, поупражняемся в их определении.
Примеры решения задач.
Вот три примера задач, связанных со смесями металлов и соляной кислоты:
В первом примере медь не реагирует с соляной кислотой, то есть при реакции кислоты с железом выделяется водород. Поэтому, зная объем водорода, мы можем определить количество железа и его массу. И, соответственно, массовые доли веществ в смеси.
Решение примера 1.
- Определяем количество водорода в молях.
- Согласно уравнению реакции:
Железа также 0,25 моль. Вы можете найти его массу:
Во втором примере реагируют оба металла. В результате обеих реакций водород уже выделился из кислоты. В результате невозможно использовать прямой расчет. В таких случаях удобно решать с помощью очень простой системы уравнений, принимая в качестве — количество молей одного из металлов, а в качестве — количество вещества второго.
Решение примера 2.
- Найдите количество водорода: моль. Пусть количество алюминия равно одному молю, а количество железа — одному молю. Тогда мы можем выразить количество выделившегося водорода через и:
И массу всей смеси
Как показано в третьем примере, только два металла вступают в реакцию. Медь не входит в их число. Поэтому оставшиеся 5 г — это медь. Количество оставшихся двух металлов — цинка и алюминия (обратите внимание, что их общая масса составляет 16 — 5 = 11 г) можно найти с помощью системы уравнений, как в примере 2.
Следующие три примера задач (№4, 5, 6) содержат реакции металлов с азотной и серной кислотами. Главное в этих задачах — правильно определить, какой металл растворится в ней, а какой нет.
Холодная концентрированная серная кислота реагирует не с железом и алюминием (пассивация), а с медью. При этом образуется оксид серы (IV).
Алюминий, амфотерный металл, реагирует со щелочью (помимо алюминия, цинк и олово также растворяются в щелочи; бериллий можно растворить в концентрированной щелочи).
Решение примера 4.
- Только медь реагирует с концентрированной серной кислотой, мольное число газа: мол.
Так как мольное соотношение меди и сернистого газа , то меди тоже моль.
Можно найти массу меди:
