Социальные сети:

Нефть и Газ

Нефть и Газ
Нефть и Газ

Нефть

Нефть и Газ

Нефтяные вышки в Лос-Анджелесе (1896) Нефть и Газ NYMEX цены на маркерную нефть West Texas Intermediate в период 2000—2015.

Нефть (из тур. neft, от перс. نفت‎, naft) — природная маслянистая горючая жидкость со специфическим запахом, состоящая в основном из сложной смеси углеводородов различной молекулярной массы и некоторых других химических соединений. Является ископаемым топливом (каустобиолитом). На протяжении XX века и в XXI веке нефть является одним из важнейших полезных ископаемых.

Цвет нефти обычно чисто-чёрный. Иногда варьирует в буро-коричневых тонах (от грязно-жёлтого до тёмно-коричневого, почти чёрного), изредка встречается нефть, окрашенная в светлый жёлто-зелёный цвет, и даже бесцветная, а также насыщенно-зелёная нефть. Имеет специфический запах, также варьирующий от лёгкого приятного до тяжёлого и очень неприятного. Цвет и запах нефти в значительной степени обусловлены присутствием компонентов, содержащих азот, серу и кислород и концентрируются в смазочном масле и нефтяном остатке. Большинство углеводородов нефти (кроме ароматических) в чистом виде лишено запаха и цвета.

По химическому составу и происхождению нефть близка к природным горючим газам и озокериту. Эти ископаемые объединяют под общим названием петролиты. Петролиты относят к ещё более обширной группе так называемых каустобиолитов — горючих минералов биогенного происхождения, которые включают также другие ископаемые топлива (торф, бурый и каменный уголь, антрацит, сланцы).

Подавляющая часть месторождений нефти приурочена к осадочным породам. Нефть обнаруживается вместе с газообразными углеводородами на глубинах от десятков метров до 5—6 км. Однако на глубинах свыше 4,5—5 км преобладают газовые и газоконденсатные залежи с незначительным количеством лёгких фракций. Максимальное число залежей нефти располагается на глубине 1—3 км. На малых глубинах и при естественных выходах на земную поверхность нефть преобразуется в густую мальту, полутвёрдый асфальт и другие образования — например, битуминозные пески и битумы.

Название

Слово petroleum, обозначающее нефть в английском и некоторых других языках, образовано сложением двух слов: др.-греч. πέτρα — камень и лат. oleum — масло, то есть буквально «каменное масло».

Во времена химика и минералога В. М. Севергина (1765—1826) в России нефть называли «горное масло», затем — «каменное масло».

Русское слово «нефть», вероятнее всего, было заимствовано из тур. neft «нефть», куда оно попало из перс. نفت‎ (naft) «нефть». Существует альтернативная семитская версия.

В немецком языке нефть — нем. Erdöl, что буквально означает «земляное масло», венг. kőolaj — «каменное масло», яп. 石油 (сэкию) — «каменное масло», фин. vuoriöljy — «горное масло».

История

Нефть известна человечеству с древнейших времён, что иллюстрируется следующими данными:

В средние века интерес к нефти, в основном, основывался на её способности гореть. Сохранились сведения о «горючей воде — густе», привезённой из Ухты в Москву при Борисе Годунове.

До 18 века нефть преимущественно использовалась в натуральном, то есть не переработанном и неочищенном виде. Отдельные сведения о дистилляции нефти начинаются с X века н. э., однако широкого применения продукты дистилляции не находили. В 1733 году российский военврач Иоганн Лерхе, посетив бакинские нефтепромыслы, записал наблюдения о перегонке нефти:

Нефть не скоро начинает гореть, она тёмно-бурого цвета, и когда её перегоняют, то делается светло-жёлтою. Белая нефть несколько мутна, но по перегонке так светла делается, как спирт, и сия загорается весьма скоро.

В 1746 году рудознатец Ф. С. Прядунов поставил нефтеперегонный завод на реке Ухте на естественном источнике нефти. Однако удалённость от цивилизации затруднила работу завода, который не смог обеспечить прибыльность и четверть века спустя был заброшен. В 1823 году крепостные крестьяне братья Дубинины построили нефтеперегонный куб на Северном Кавказе, в городе Моздок. Это предприятие проработало более 20 лет, поставляя несколько сот пудов продуктов перегонки нефти в год для аптечных и осветительных целей. В 1857 Василий Кокорев в Сураханах близ Баку построил нефтеперегонный завод начальной мощностью 100 тыс. пудов керосина в год. С этого момента начинается бурное развитие керосинового промысла, потянувшее за собой нефтедобычу. К концу 19 века в России производили уже около 100 млн пудов керосина в год.

Преимущественное использование переработанной нефти началось только во 2-й половине 19 века, чему способствовал возникший в это время новый способ добычи нефти с помощью буровых скважин вместо колодцев. Первая в мире добыча нефти из буровой скважины состоялась в 1846 году на Биби-Эйбатском месторождении вблизи Баку.

Происхождение

Нефтеобразование — стадийный, длительный процесс образования нефти из органического вещества осадочных пород (остатков древних живых организмов), согласно доминирующей биогенной (органической) теории происхождения нефти. Данный процесс занимает десятки и сотни миллионов лет. В XX веке определённую популярность, особенно в СССР, имела гипотеза абиогенного происхождения нефти из неорганического вещества на больших глубинах в условиях колоссальных давлений и высоких температур, однако подавляющее большинство доказательств свидетельствует в пользу биогенной теории. Абиогенные гипотезы не позволяли делать эффективных прогнозов для открытия новых месторождений.

Геология нефти

Заключающие нефть породы обладают сравнительно высокой пористостью и достаточной для её извлечения проницаемостью. Породы, допускающие свободное перемещение и накопление в них жидкостей и газов, называются коллекторами. Пористость коллекторов зависит от степени отсортированности зёрен, их формы и укладки, а также и от наличия цемента. Проницаемость определяется размером пор и их сообщаемостью. Главнейшими коллекторами нефти являются пески, песчаники, конгломераты, доломиты, известняки и другие хорошо проницаемые горные породы, заключённые среди таких слабопроницаемых пород, как глины или гипсы. При благоприятных условиях коллекторами могут быть трещиноватые метаморфические и изверженные породы, находящиеся в соседстве с осадочными нефтеносными породами.

Весьма продолжительное время (со 2-й половины XIX в.) геологи полагали, что нефтяные залежи приурочиваются почти исключительно к антиклинальным складкам, и только в 1911 И. М. Губкиным был открыт в Майкопском районе новый тип залежи, приуроченной к аллювиальным пескам и получившей название «рукавообразной». Спустя более 10 лет подобные залежи были обнаружены в США. Дальнейшее развитие разведочных работ в СССР и США завершилось открытием залежей, связанных с соляными куполами, приподнимающими, а иногда и протыкающими осадочные толщи. Изучение нефтяных месторождений показало, что образование нефтяных залежей обусловлено различными структурными формами изгибов пластов, стратиграфическими соотношениями свит и литологическими особенностями пород. Предложено несколько классификаций месторождений и залежей нефти как в России, так и за рубежом. Нефтяные месторождения различаются друг от друга по типу структурных форм и условиям их образования. Залежи нефти и газа различаются друг от друга по формам ловушек-коллекторов и по условиям образования в них скоплений нефти.[источник не указан 3229 дней]

Свойства

Физические свойства

Нефть — жидкость от светло-коричневого (почти бесцветная) до тёмно-бурого (почти чёрного) цвета (хотя бывают образцы даже изумрудно-зелёной нефти). Средняя молекулярная масса 220—400 г/моль (редко 450—470). Плотность 0,65—1,05 (обычно 0,82—0,95) г/см³; нефть, плотность которой ниже 0,83, называется лёгкой, 0,831—0,860 — средней, выше 0,860 — тяжёлой.

Плотность нефти, как и других углеводородов, сильно зависит от температуры и давления. Она содержит большое число разных органических веществ и поэтому характеризуется не температурой кипения, а температурой начала кипения жидких углеводородов (обычно >28 °C, реже ≥100 °C в случае тяжёлой не́фти) и фракционным составом — выходом отдельных фракций, перегоняющихся сначала при атмосферном давлении, а затем под вакуумом в определённых температурных пределах, как правило до 450—500 °C (выкипает ~ 80 % объёма пробы), реже 560—580 °C (90—95 %). Температура кристаллизации от −60 до +30 °C; зависит преимущественно от содержания в нефти парафина (чем его больше, тем температура кристаллизации выше) и лёгких фракций (чем их больше, тем эта температура ниже). Вязкость изменяется в широких пределах (от 1,98 до 265,90 мм²/с для различной нефти, добываемой в России), определяется фракционным составом нефти и её температурой (чем она выше и больше количество лёгких фракций, тем ниже вязкость), а также содержанием смолисто-асфальтеновых веществ (чем их больше, тем вязкость выше). Удельная теплоёмкость 1,7—2,1 кДж/(кг∙К); удельная теплота сгорания (низшая) 43,7—46,2 МДж/кг; диэлектрическая проницаемость 2,0—2,5; электрическая проводимость от 2∙10−10 до 0,3∙10−18 Ом−1∙см−1.

Нефть — легковоспламеняющаяся жидкость; температура вспышки от −35 до +121 °C (зависит от фракционного состава и содержания в ней растворённых газов). Нефть растворима в органических растворителях, в обычных условиях нерастворима в воде, но может образовывать с ней стойкие эмульсии. В технологии для отделения от нефти воды и растворённой в ней соли проводят обезвоживание и обессоливание.

Химический состав

С точки зрения коллоидной химии нефть представляет собой многокомпонентную коллоидную систему, то есть жидкость, в которой взвешены мицеллы — полутвёрдые сгустки высокомолекулярных смол, асфальтенов и карбенов, не растворимых в жидких углеводородах при обычных температурах — а также, зачастую, углистые (состоящие из карбенов и карбоидов) и минеральные частицы и вода.

В состав нефти входит около тысячи индивидуальных веществ, из которых большая часть — жидкие углеводороды (более 500 веществ, обычно составляющих 80—90 % массы нефти) и органические соединения, включающие в себя другие элементы (4—5 %), в основном серу (около 250 веществ), азот (более 30 веществ) и кислород (около 85 веществ), а также металлоорганические соединения (главным образом ванадиевые и никелевые), растворённые углеводородные газы (C1-C4, от десятых долей до 4 %), вода (от следов до 10 %), минеральные соли (главным образом хлориды, 0,1—4000 мг/л и более), растворы солей органических кислот и механические примеси.

В основном в нефти представлены парафиновые (обычно 30—35, реже 40—50 % по объёму) и нафтеновые (25—75 %) соединения. В меньшей степени — соединения ароматического ряда (10—20, реже 35 %) и смешанного, или гибридного строения (например, парафино-нафтеновые, нафтено-ароматические).

Наряду с углеводородами в состав нефти входят вещества, содержащие примесные атомы. Серосодержащие — H2S, меркаптаны, моно- и дисульфиды, тиофены и тиофаны, а также полициклические и т. п. (70—90 % концентрируется в остаточных продуктах — мазуте и гудроне); азотсодержащие — преимущественно гомологи пиридина, хинолина, индола, карбазола, пиррола, а также порфирины (большей частью концентрируется в тяжёлых фракциях и остатках); кислородсодержащие — нафтеновые кислоты, фенолы, смолисто-асфальтеновые и др. вещества (сосредоточены обычно в высококипящих фракциях). Элементный состав (%): 82-87 C; 11-14,5 Н; 0,01-6 S (редко до 8); 0,001-1,8 N; 0,005—0,35 O (редко до 1,2) и др. Всего в нефти обнаружено более 50 элементов. Так, наряду с упомянутыми, в нефти присутствуют V(10−5 — 10−2 %), Ni(10−4−10−3 %), Cl (от следов до 2⋅10−2 %) и т. д. Содержание указанных соединений и примесей в сырье разных месторождений колеблется в широких пределах, поэтому говорить о среднем химическом составе нефти можно только условно.

По способности растворяться в органических жидкостях, в том числе в:

  • сероуглероде,
  • хлороформе,
  • спиртобензольной смеси

нефть, как и:

  • другие петролиты,
  • вещества, извлекаемые этими растворителями из торфа,
  • вещества, извлекаемые этими растворителями из ископаемых углей

учёными[какими?] принято относить к группе битумов.

Нефть как составляющая залежей углеводородов

Часто нефтяная залежь занимает лишь часть коллектора, и поэтому, в зависимости от характера пористости и степени цементации породы (гетерогенности залежи), обнаруживается различная степень насыщенности нефтью отдельных её участков в пределах самой залежи. Иногда этой причиной обусловливается наличие непродуктивных участков залежи. Обычно нефть в залежи сопровождается водой, которая ограничивает залежь вниз по падению слоёв либо по всей её подошве. Кроме того, в каждой залежи нефти вместе с ней находится т. н. плёночная, или остаточная вода, обволакивающая частицы пород (песков) и стенки пор. В случае выклинивания пород коллектора или обрезания его сбросами, сдвигами и т. п. дизъюнктивными нарушениями залежь может либо целиком, либо частично ограничиваться слабопроницаемыми породами. В верхних частях нефтяной залежи иногда сосредоточивается газ (т. н. «газовая шапка»). Дебит скважин, помимо физических свойств коллектора, его мощности и насыщения, определяется давлением растворённого в нефти газа и краевых вод. При добыче нефти скважинами не удаётся целиком извлечь всю нефть из залежи, значительное количество её остаётся в недрах земной коры (см. Нефтеотдача и Нефтедобыча). Для более полного извлечения нефти применяются специальные приёмы, из которых большое значение имеет метод заводнения (законтурного, внутриконтурного, очагового).

Классификация

Класс углеводородов, по которому нефти даётся наименование, должны присутствовать в количестве более 50 %. Если присутствуют углеводороды также и других классов и один из классов составляет не менее 25 %, выделяют смешанные типы нефти: метано-нафтеновые, нафтено-метановые, ароматическо-нафтеновые, нафтено-ароматические, ароматическо-метановые и метано-ароматические; в них первого компонента содержится более 25 %, второго — более 50 %.

Сорта товарной нефти

Введение сортности необходимо в связи с разностью состава нефти (содержания серы, различного содержания групп алканов, наличия примесей) в зависимости от месторождения. Стандартом для цен служит нефть сортов WTI и Light Sweet (для западного полушария и вообще ориентиром для других сортов нефти), а также Brent (для рынков Европы и стран ОПЕК).

Чтобы упростить экспорт были придуманы некие стандартные сорта нефти, связанные либо с основным месторождением, либо с группой месторождений. Для России это тяжёлая Urals и лёгкая нефть Siberian Light, в Азербайджане Azeri Light. В Великобритании — Brent, в Норвегии — Statfjord, в Ираке — Kirkuk, в США — Light Sweet и WTI. Часто бывает, что страна производит два сорта нефти — лёгкую и тяжёлую. Например в Иране это Iran Light и Iran Heavy.

Нефтедобыча

По способам подъёма современные методы добычи нефти делятся на:

  • фонтан (выход флюида осуществляется за счёт пластового давления)
  • газлифт
  • установка электроцентробежного насоса (УЭЦН)
  • ЭВН установка электровинтового насоса (УЭВН)
  • ШГН (штанговые насосы), часто с приводом от наземного станка-качалки
  • другие

Первый центробежный насос для добычи нефти был разработан в 1916 российским изобретателем Армаисом Арутюновым. В 1923 году Арутюнов эмигрировал в США, и в 1928 году основал фирму Bart Manufacturing Company, которая в 1930 была переименована в «REDA Pump» (аббревиатура от Russian Electrical Dynamo of Arutunoff), которая многие годы была лидером рынка погружных насосов для нефтедобычи. В СССР большой вклад в развитие электрических погружных насосов для добычи нефти внесло Особое конструкторское бюро по конструированию, исследованию и внедрению глубинных бесштанговых насосов (ОКБ БН) созданном в 1950 г. Основателем ОКБ БН был Богданов Александр Антонович.

Нефть и Газ Добыча в нефтедобывающих странах 1973—2016[нет в источнике]

До середины 1970-х мировая добыча нефти удваивалась примерно каждое десятилетие, потом темпы её роста замедлились. В 1938 она составляла около 280 млн т, в 1950 около 550 млн т, в 1960 свыше 1 млрд т, а в 1970 свыше 2 млрд т. В 1973 году мировая добыча нефти превысила 2,8 млрд т. Мировая добыча нефти в 2005 году составила около 3,6 млрд т.

Мировая добыча нефти в 2006 г. составляла около 3,8 млрд т в год, или 30 млрд баррелей в год.

Нефтедобывающими странами также являются: Ливия, Норвегия.

См. также: Перепроизводство нефти в 1980-х годах

Нефтяная промышленность в России

Нефть и Газ Добыча энергоносителей в России

Одно из первых упоминаний о нефти в России относится к XV веку, когда нефть была найдена в Ухте. В 1684 году иркутский письменный голова Леонтий Кислянский обнаружил нефть в районе Иркутского острога. О другой находке нефти в России было сообщено 2 января 1703 года в русской газете «Ведомости». Добыча нефти началась с 1745 года. Однако в течение XVIII века разработка нефтяных месторождений являлась убыточной из-за крайне узкого практического применения продукта. С развитием промышленности, спрос увеличился. Основным нефтяным районом России стал Кавказ.

Первый завод по очистке нефти был построен в России в 1745 году, в период правления Елизаветы Петровны, на Ухтинском нефтяном промысле. В Санкт-Петербурге и в Москве тогда пользовались свечами, а в малых городах — лучинами. Но уже тогда во многих церквях горели неугасаемые лампады. В них наливалось горное масло, которое было не чем иным, как смесью очищенной нефти с растительным маслом. Купец Набатов был единственным поставщиком очищенной нефти для соборов и монастырей. В конце XVIII столетия была изобретена лампа. С появлением ламп возрос спрос на керосин.

Войны и революционные события в России ввергли нефтедобычу в кризис. Только в 1920-е годы стало возможным говорить о восстановлении отрасли.

Добыча нефти в СССР быстро росла вплоть до начала 80-х, затем рост замедлился. В 1988 году добыча нефти в СССР и в России достигла исторического максимума, а затем начала падать.

После распада Советского Союза государственные предприятия были акционированы, и значительная их часть перешла в частные руки. Добыча нефти продолжала падать вплоть до середины 90-х годов, после чего вновь стала расти.

Нефть является главной статьёй российского экспорта, составляя, по данным за 2009 год, 33 % экспорта в денежном выражении (вместе с нефтепродуктами — 49 %). Кроме того, от уровня цен на нефть и нефтепродукты существенно зависят цены на третий основной компонент экспорта — природный газ. Правительство России планирует увеличение добычи нефти к 2030 году до 530 млн т в год.

По данным Министерства природных ресурсов и экологии РФ, стоимость суммарных запасов нефти в России составляет около 40 триллионов рублей. Объём нефтяных запасов в натуральном выражении — более 9 миллиардов тонн. При этом в статистику Минприроды попали только запасы на уже лицензированных к добыче участках месторождений, «по которым имеются утверждённый в установленном порядке технический проект и иная проектная документация на выполнение работ». Общий объём разведанных запасов намного больше.

В 2011 году добыча нефти в РФ составила около 511 млн тонн, что на 1,23 % выше, чем в 2010. Экспорт нефти сократился на 2,4 % по данным Росстата, или на 6,4 % по данным ФТС, но доходы от экспорта выросли со 129 до 172 млрд долларов.

Рынок нефти

В 2017 году сырая нефть была наиболее торгуемым товаром на мировом рынке, объём операций оценивается в 792 млрд долл. США.

Крупнейшими экспортёрами сырой нефти были:

  • Саудовская Аравия (110 млрд долл. США)
  • Россия (96,6 млрд долл. США)
  • Ирак (57,5 млрд долл. США)
  • Канада (54,1 млрд долл. США)
  • Объединённые Арабские Эмираты (39,9 млрд долл. США)
  • Иран (38,5 млрд долл. США)
  • Нигерия (35,6 млрд долл. США)
  • Кувейт (31,3 млрд долл. США)
  • Норвегия (28,1 млрд долл. США)
  • Ангола (26,8 млрд долл. США)

Крупнейшими импортёрами сырой нефти были:

  • Китай (144 млрд долл. США)
  • США (129 млрд долл. США)
  • Индия (74,7 млрд долл. США)
  • Япония (57,7 млрд долл. США)
  • Южная Корея (56 млрд долл. США)
  • Нидерланды (36,4 млрд долл. США)
  • Германия (30,1 млрд долл. США)
  • Италия (24,8 млрд долл. США)
  • Испания (23,2 млрд долл. США)
  • Франция (20,6 млрд долл. США)

Сырая нефть являлась в 2017 году главным экспортным товаром для таких стран как Канада, Россия, Саудовская Аравия, Объединённые Арабские Эмираты, Норвегия, Ирак, Иран, Нигерия, Кувейт и Казахстан. Сырая нефть была главной статьёй импорта для таких стран как Япония, Нидерланды, Южная Корея, Индия, Испания, ЮАР, Португалия, Финляндия, Греция и Белоруссия.

Переработка нефти

Чтобы получить топливо или масло, годное для использования, сырую нефть перерабатывают различными способами в несколько этапов.

Первичные процессы переработки не предполагают химических изменений нефти и представляют собой её физическое разделение на фракции. Сначала промышленная нефть проходит первичный технологический процесс очистки добытой нефти от нефтяного газа, воды и механических примесей — этот процесс называется первичной сепарацией нефти.

Целью вторичных процессов является увеличение количества производимых моторных топлив, они связаны с химической модификацией молекул углеводородов, входящих в состав нефти, как правило, с их преобразованием в более удобные для окисления формы.

По своим направлениям, все вторичные процессы можно разделить на три вида:

  • Углубляющие: каталитический крекинг, термический крекинг, висбрекинг, замедленное коксование, гидрокрекинг, производство битумов и т. д.
  • Облагораживающие: риформинг, гидроочистка, изомеризация и т. д.
  • Прочие: процессы по производству масел, МТБЭ, алкилирования, производство ароматических углеводородов и т. д.

Применение

Нефть и Газ Автозаправочная станция

Непосредственно сырая нефть практически не применяется (сырая нефть наряду с нерозином применяется для пескозащиты — закрепления барханных песков от выдувания ветром при строительстве ЛЭП и трубопроводов). Для получения из неё технически ценных продуктов, главным образом моторных топлив (бензин, керосин, дизельное топливо, реактивное топливо), топлива для газовых турбин и котельных установок, смазочных и специальных масел, парафина, битумов для дорожного строительства и гидроизоляции, синтетических жирных кислот, сажи для резиновой промышленности, кокса для электродов, растворителей, сырья для химической промышленности, её подвергают переработке.

Попутные нефтяные газы, газы нефтепереработки, ряд фракций нефти, ароматические углеводороды, жидкие и твёрдые парафины, получаемые из нефти используются как сырьё для нефтехимического синтеза полимерных материалов и пластических масс, синтетических волокон, синтетического каучука, синтетических моющих средств, спиртов, альдегидов, кетонов, кормовых белков и других ценных материалов.

Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом балансе: доля её в общем потреблении энергоресурсов составляла 33,6 % в 2010. В перспективе эта доля будет уменьшаться вследствие возрастания применения атомной и иных видов энергии, а также увеличения стоимости и уменьшения добычи.

Нефть и Газ Загрузка нефти в танкер Нефть и Газ Нефтепровод в Португалии

В связи с быстрым развитием в мире химической и нефтехимической промышленности, потребность в нефти увеличивается не только с целью повышения выработки топлив и масел, но и как источника ценного сырья для производства синтетических каучуков и волокон, пластмасс, ПАВ, моющих средств, пластификаторов, присадок, красителей, и др. (более 8 % от объёма мировой добычи). Среди получаемых из нефти исходных веществ для этих производств наибольшее применение нашли: парафиновые углеводороды — метан, этан, пропан, бутаны, пентаны, гексаны, а также высокомолекулярные (10—20 атомов углерода в молекуле); нафтеновые; ароматические углеводороды — бензол, толуол, ксилолы, этилбензол; олефиновые и диолефиновые — этилен, пропилен, бутадиен; ацетилен. Нефть уникальна именно комбинацией качеств: высокая плотность энергии (на тридцать процентов выше, чем у самых качественных углей), нефть легко транспортировать (по сравнению с газом или углём, например), наконец, из нефти легко получить массу вышеупомянутых продуктов.

Истощение ресурсов нефти, рост цен на неё и др. причины вызвали интенсивный поиск заменителей жидких топлив.

Как сообщает американский историк Д. Бурстин, в XIX веке в США нефть продавали в качестве универсального лекарства.

Исследования

Д. И. Менделеев впервые обратил внимание на то, что нефть является важнейшим источником химического сырья, а не только топливом; он посвятил ряд работ происхождению и рациональной переработке нефти. Ему принадлежит известное высказывание о попытках топить паровые котлы нефтью вместо угля: «Можно топить и ассигнациями» (1885).

Большое значение имели работы В. В. Марковникова (1880-е годы), посвящённые изучению состава нефти; им был открыт в нефти новый класс углеводородов, названный им нафтенами, и изучено строение многих углеводородов. Л. Г. Гурвич на основании своих исследований разработал физико-химическую основу очистки нефти и нефтепродуктов и значительно усовершенствовал методы её переработки. Продолжая работы Марковникова, Н. Д. Зелинский разработал в 1918 году каталитический способ получения бензина из тяжёлых остатков нефти. Многие годы в области химии нефти работал С. С. Намёткин; им разработаны методы определения содержания в нефти углеводородов разных классов (определение группового состава) и указаны способы повышения выхода нефтепродуктов. В. Г. Шухов изобрёл первую в мире промышленную установку термического крекинга нефти (1891), был автором проекта и главным инженером строительства первого российского нефтепровода (1878), заложил основы конструирования нефтепроводов, нефтехранилищ и оборудования нефтепереработки.

Запасы

Нефть и Газ Нефтяная платформа в Северном море

Нефть относится к невозобновляемым ресурсам. Разведанные запасы нефти составляют (на 2004) 210 млрд т (1200 млрд баррелей), неразведанные — оцениваются в 52—260 млрд т (300—1500 млрд баррелей). Мировые разведанные запасы нефти оценивались к началу 1973 года в 100 млрд т (570 млрд баррелей). Начиная с 1984 г., годовой объём мировой нефтедобычи превышает объём разведываемых запасов нефти.

Мировая добыча нефти в 2006 г. составляла около 3,8 млрд т в год, или 30 млрд баррелей в год. Таким образом, при нынешних темпах потребления, разведанной нефти хватит примерно на 40 лет, неразведанной — ещё на 10—50 лет.

Несмотря на существование таких прогнозов, правительство России в 2009 году планировало увеличение добычи нефти к 2030 году до 530 млн т в год (в рамках Энергетической стратегии России на период до 2030 года) Энергетическая стратегия России на период до 2030 года (неопр.) (недоступная ссылка). Дата обращения: 22 мая 2012. Архивировано 29 мая 2013 года..

Примечания:

1. Оценочные запасы в миллиардах (109) баррелей 2. Добыча в тысячах (10³) баррелей в день 3. Ресурсообеспеченность рассчитывается как запасы/добыча

По состоянию на 1 января 2012 года, согласно официально обнародованной информации (до этого данные по запасам нефти и газа были засекречены), извлекаемые запасы нефти в Российской Федерации по категориям A/B/C1 составляют 17,8 млрд тонн или 129,9 млрд баррелей (из расчёта, что 1 тонна экспортной смеси Urals составляет 7,3 барреля). Расчётное время на которое хватит этих запасов при текущей добыче (чуть больше 10 млн баррелей или 1,4 млн тонн в день) составляет 35 лет.

Также имеются большие запасы нефти (3400 млрд баррелей) в нефтяных песках Канады и Венесуэлы. Этой нефти при нынешних темпах потребления хватит на 110 лет. В настоящее время компании ещё не могут производить много нефти из нефтяных песков, но ими ведутся разработки в этом направлении.

Нефть и экономика

Нефть занимает ведущее место в мировом топливно-энергетическом хозяйстве. Её доля в общем потреблении энергоресурсов непрерывно росла: 3 % в 1900, 5 % перед 1-й мировой войной (1914—1918), 17,5 % накануне 2-й мировой войны (1939—1945), 24 % в 1950, 41,5 % в 1972, 48 % в 2004 году и 46,2 % в 1973 году, но впоследствии стала уменьшаться, составив 33,6 % в 2010 и 31,3 % в 2014 году. Затем снова наметился рост и в 2016 году доля нефти составила 33,3 %..

Альтернативы конвенциональной нефти

Резкий рост цен в 2003—2008 годах, а также ограниченность запасов конвенциональной нефти делают актуальными развитие технологий с уменьшенным потреблением нефтепродуктов, а также развитие альтернативных генерирующих мощностей не использующих продукты нефтепереработки.

Битуминозные (нефтяные) пески

Запасы нефти в битуминозных песках Альберты, Канада и в Ориноко, Венесуэла составляют соответственно 1,7 и 2,0 трлн баррелей, в то время как мировые запасы традиционной нефти на начало 2006 года оценивались в 1.1 трлн баррелей. Добыча нефти из битуминозных песков Альберты составила 1,126 Мб/д (млн. баррелей в день) в 2006. Планируется увеличить её до 3 Мб/д в 2020 и 5 Мб/д в 2030. Добыча нефти из битуминозных песков Ориноко составляет 0,5 Мб/д, а в 2010 году планируется нарастить её до 1 Мб/д. Вся мировая добыча нефти составляет около 84 Мб/д. Таким образом, хотя запасы битуминозных песков огромны, добыча нефти из них в обозримом будущем (согласно нынешним прогнозам) будет удовлетворять всего несколько процентов от мировых потребностей нефти. Проблема в том, что известные ныне технологии добычи нефти из битуминозных песков требуют большого количества пресной воды и суммарных энергозатрат, составляющих (по некоторым оценкам) около 2/3 энергетического потенциала добытой таким образом нефти (см. EROEI — Energy Return on Energy Investment — «энергетическая отдача от затраченной энергии»). Другие исследователи оценивают энергозатраты как всего 1/5 энергетического потенциала добытой нефти.

Нефть из горючих сланцев

Горючие сланцы, общие запасы которых в мире составляют порядка 650 трлн т., содержат 2,8-3,3 трлн баррелей извлекаемой нефти. Согласно исследованию компании RAND, производство нефти из сланцев в США станет прибыльным при цене 70-95 долларов за баррель. Этот порог пройден в 2007 году. Так, австралийский проект по производству нефти из сланцев был закрыт в 2004 году благодаря усилиям Гринписа. Но в 2011 году прошло сообщение о том, что в Стэнфордском университете разработана экологичная технология реторинга сланцевых пород и добычи электричества без образования углекислого газа посредством создания температуры ниже критической[значимость факта?].

Топливо из угля

Синтетический бензин и дизельное топливо из угля (см. Синтез Фишера — Тропша) производила нацистская Германия во время второй мировой войны. В ЮАР компания Sasol Limited производит синтетическое топливо из угля с 1955 года. В начале 2006 года в США рассматривались проекты строительства 9 заводов по непрямому сжижению угля суммарной мощностью 90—250 тыс. баррелей в день. Китай планирует инвестировать 15 млрд долларов до 2010—2015 гг. в строительство заводов по производству синтетического топлива из угля. Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) заявила, что суммарная мощность заводов по сжижению угля достигнет 16 млн тонн синтетического топлива в год, что составляет около 0,4 млн баррелей в день. Как и в случае нефти из сланцев, серьёзной проблемой получения топлива из угля является загрязнение окружающей среды, хотя и в меньших масштабах.

Газовые автомобили

Газовые автомобили используют двигатель, работающий на метане, пропане или бутане. По данным компании Дельта Авто, занимающейся переоборудованием автомобилей на газовое топливо, в России продажи газа автотранспорту растут на 20 % в год, а в Евросоюзе планируется к 2020 году перевести на газовое топливо 10 % автомобилей. Лидером в этой области является Аргентина, которая перевела 1,4 млн автомобилей на газовое топливо. Газовое топливо дешевле бензина, экологически чище и увеличивает срок службы автомобиля. Однако запасы природного газа тоже ограничены, и, по прогнозам, с 2020 года добыча природного газа начнёт падать.

Биотопливо

Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40 % своих потребностей в топливе за счёт спирта, благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.

Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или появляются за счёт фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).

Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.

В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.

По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.

Гибридные автомобили

Электромобили. Израиль, Дания и Португалия уже подписали с компаниями Renault и Nissan соглашения о создании сети заправок для электромобилей. Продажа электромобилей начнётся в 2011 году. Недостатками электромобилей являются: высокая цена, необходимость часто заряжать аккумуляторы и проблема утилизации аккумуляторов, а достоинством — то, что они не загрязняют воздух в городах (хотя для выработки электроэнергии, возможно, приходится загрязнять атмосферу).

Близки к электромобилям и автомобили с водородным двигателем. Водород получают из воды электролизом, таким образом, водородные баллоны — фактически способ сохранять электроэнергию. Кроме того, водородные двигатели, как и электромобили, не загрязняют атмосферу, выделяя туда лишь воду. Недостатком водородных двигателей является необходимость огромного топливного бака, потому что водород — очень лёгкий газ. Проблему хранения и транспортировки водорода помогает решить его способность растворяться в некоторых металлах (Гидриды металлов). В палладии, на один объём металла Pd, растворяется до 850 объёмов H2. На сегодняшний день не существует энергетически эффективного способа получения водорода.

Однако вторым современным способом получения водорода является преобразование из природного газа. Данный способ используется в домашних водород-генерирующих установках Honda для водородомобиля этой же компании. Промышленная паровая конверсия метана в водород осуществляется с применением катализаторов и затратами подводимой тепловой энергии в размере 206 кДж/моль Агафонов А. И., Агафонов Р. А., Мурашкина Т. И. Обоснование энергоэффективности термохимических, каталитических и энергетических процессов паровой каталитической конверсии природного газа в водород // Труды Международного симпозиума «Надёжность и качество». — 2011.

Цены на нефть

Цены на нефть, как и на любой другой товар, определяются соотношением спроса и предложения. Если предложение падает, цены растут до тех пор, пока спрос не сравняется с предложением.

Особенность нефти, однако, в том, что в краткосрочной перспективе спрос малоэластичен: рост цен мало влияет на спрос. Поэтому даже небольшое падение предложения нефти приводит к резкому росту цен.

В среднесрочной (5—10 лет) и долгосрочной (десятилетия) перспективе спрос, однако, непрерывно увеличивается за счёт увеличения количества автомобилей и тому подобной техники. Однако, точное обоснование этой точки зрения не известно. К тому же, относительно недавно в число крупнейших мировых потребителей нефти вошли Китай и Индия.

В XX веке рост спроса на нефть уравновешивался разведкой новых месторождений, позволявшим увеличить и добычу нефти. Однако многие считают, что в XXI веке нефтяные месторождения исчерпают себя, и диспропорция между спросом на нефть и её предложением приведёт к резкому росту цен — наступит нефтяной кризис.

Кроме того, от уровня цен на нефть и нефтепродукты существенно зависят цены и на природный газ.

Цены на нефть также являются одним из политических инструментов международной экономики.

Газ

Нефть и Газ

Газ NO2

Газ, или газообразное состояние (от нидерл. gas, восходит к др.-греч. χάος (háos) — букв. хаос) — одно из четырёх основных агрегатных состояний вещества, характеризующееся очень слабыми связями между составляющими его частицами (молекулами, атомами или ионами), а также их большой подвижностью. Частицы газа почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями, во время которых происходит резкое изменение характера их движения.

Газообразное состояние вещества в условиях, когда возможно существование устойчивой жидкой или твёрдой фазы этого же вещества, обычно называется па́ром. Реальный газ представляет собой высоко перегретый пар, свойства которого незначительно отличаются от идеального газа. В связи с этим в термодинамическом описании паров и реальных газов следует различать только два состояния — насыщенные пары (двухфазовые системы) и перегретые пары — (однофазовые газообразные состояния). Существует и другое определение понятия реальный газ, включающее весь диапазон газообразного состояния вещества от насыщенного пара до высоко перегретого и сильно разреженного.

Подобно жидкостям, газы обладают текучестью и сопротивляются деформации. В отличие от жидкостей, газы не имеют фиксированного объёма, а стремятся заполнить весь доступный объём (например, сосуда). В планетарном масштабе газ в атмосфере удерживается гравитацией и не образует свободной поверхности.

Газообразное состояние — самое распространённое состояние вещества Вселенной (межзвёздное вещество, туманности, звёзды, атмосферы планет и т. д.). По химическим свойствам газы и их смеси весьма разнообразны: от малоактивных инертных газов до взрывчатых газовых смесей. Понятие «газ» иногда распространяют не только на совокупности атомов и молекул, но и на совокупности других элементарных частиц (то есть на квантовую систему) — фотонов, электронов, броуновских частиц, а также плазму.

Чтобы испарить жидкость, вовсе необязательно её нагревать. Можно уменьшить атмосферное давление поднятием на высоту, либо вакуумированием.

Некоторые частные случаи

  • Идеальный газ — газ, в котором взаимодействие между молекулами сводится к парным столкновениям, причём время межмолекулярного столкновения намного меньше среднего времени между столкновениями. Идеальный газ является простейшим модельным объектом молекулярной физики. В классической (феноменологической) термодинамике идеальный газ — гипотетический, не существующий в природе газ, в точности подчиняющийся уравнению газового состояния Клапейрона — Менделеева: P V = ν R T {displaystyle PV=nu ;RT}
  • Реальный газ — агрегатное состояние вещества (простого тела). Состояние реальных газов достаточно точно описывается уравнением Клапейрона в условиях далёких от температуры конденсации, (высоко перегретые пары), а в условиях, близких к конденсации, где силами молекулярного взаимодействия уже нельзя пренебречь, вместо уравнения Клапейрона — Менделеева используются приближённые эмпирические и полуэмпирические уравнения. Наиболее простым и распространённым является уравнение Ван-дер-Ваальса. Известно немало попыток теоретического вывода уравнения состояния реального газа. Американский физик Д. Майер и советский математик Н. Боголюбов с помощью методов статистической физики вывели уравнение состояния реального газа в наиболее общем виде, включающее так называемые вириальные коэффициенты, являющиеся функциями только температуры. Вириальные коэффициенты не могут быть определены теоретическими методами и должны определяться с помощью экспериментальных данных.
  • Газ Ван-дер-Ваальса — идеализированный газ, точно подчиняющийся уравнению Ван-дер-Ваальса. Важнейшим свойством этого газа является существование в такой простой модели фазового перехода газ — жидкость.
  • Частично или полностью ионизованный газ называется плазмой (иногда называется следующим агрегатным состоянием).
  • Также газом в технике и в быту кратко называют природный газ, основу которого составляет газ метан.

Этимология

Слово «газ» (нидерл. gas) было придумано в начале XVII века фламандским естествоиспытателем Я. Б. ван Гельмонтом для обозначения полученного им «мёртвого воздуха» (углекислого газа). Согласно Я. И. Перельману, Гельмонт писал: «Такой пар я назвал газ, потому что он почти не отличается от хаоса древних».

Не исключено также воздействие немецкого gasen «кипеть».

В России для обозначения газов М. В. Ломоносов употреблял термин «упругие жидкости», но он не прижился.

Физические свойства

Макроскопические характеристики

Большинство газов сложно или невозможно наблюдать непосредственно нашими органами чувств, они описываются с помощью четырёх физических свойств или макроскопических характеристик: давлением, объёмом, количеством частиц (химики используют моль) и температурой. Эти четыре характеристики издавна неоднократно исследовались учёными, такими как Роберт Бойль, Жак Шарль, Джон Дальтон, Гей-Люссак и Амедео Авогадро для различных газов в различных условиях. Их детальное изучение в итоге привело к установлению математической связи между этими свойствами, выраженной в уравнении состояния идеального газа.

Основной особенностью газа является то, что он заполняет всё доступное пространство, не образуя поверхности. Газы всегда смешиваются. Газ — изотропное вещество, то есть его свойства не зависят от направления. В случаях, когда силами тяготения можно пренебречь или они уравновешены другими силами, давление во всех точках газа одинаково (см. Закон Паскаля).

В поле сил тяготения плотность и давление не одинаковы в каждой точке, уменьшаясь с высотой по барометрической формуле. Соответственно, в поле сил тяжести неоднородной становится смесь газов. Тяжёлые газы имеют тенденцию оседать ниже, а более лёгкие — подниматься вверх. В поле тяготения на любое тело, погружённое в газ, действует Архимедова сила, которую используют для полёта воздушных шаров и других воздухоплавательных аппаратов, заполненные лёгкими газами или горячим воздухом.

Газ имеет высокую сжимаемость — при увеличении давления возрастает его плотность. При повышении температуры газы расширяются. При сжатии газ может перейти в жидкость, если его температура ниже так называемой критической температуры. Критическая температура является характеристикой конкретного газа и зависит от сил взаимодействия между его молекулами. Так, например, газ гелий можно сжижить только при температуре меньшей, чем 4,2 К.

Существуют газы, которые при охлаждении переходят в твёрдое тело, минуя жидкую фазу. Превращение жидкости в газ называется испарением, а непосредственное превращение твёрдого тела в газ — сублимацией.

Сосуществование с жидкостью

В определённом диапазоне температур и давлений газ и жидкость одного и того же вещества могут сосуществовать в виде равновесной двухфазовой системы. Газ над поверхностью жидкости называют насыщенным паром.

Микроскопические характеристики

Если бы можно было наблюдать газ под мощным микроскопом, можно было бы увидеть набор частиц (молекул, атомов и т. д.) без определённой формы и объёма, которые находятся в хаотическом движении. Эти нейтральные частицы газа изменяют направление только тогда, когда они сталкиваются с другими частицами или стенками ёмкости. Если предположить, что эти взаимодействия (удары) абсолютно упругие, это вещество превращается из реального в идеальный газ. Эта доля с микроскопической точки зрения газа описывается молекулярно-кинетической теорией. Все предпосылки, лежащие в этой теории, можно найти в разделе «Основные постулаты» кинетической теории.

Тепловое движение молекул газа

Важнейшей чертой теплового движения молекул газа — это беспорядочность (хаотичность) движения. Экспериментальным доказательством непрерывного характера движения молекул является диффузия и броуновское движение.

Диффузия — это явление самопроизвольного проникновения молекул одного вещества в другое. В результате взаимной диффузии веществ происходит постепенное выравнивание их концентрации во всех областях занимаемого ими объёма. Установлено, что скорость протекания процесса диффузии зависит от рода веществ и температуры.

Одним из самых интересных явлений, подтверждающих хаотичность движения молекул, является броуновское движение, которое проявляется в виде теплового движения микроскопических частиц вещества, находящихся в газе во взвешенном состоянии. Это явление в 1827 году впервые наблюдал Р. Броун, от имени которого оно получило название. Беспорядочность перемещения таких частиц объясняется случайным характером передачи импульсов от молекул газа частице с разных сторон. Броуновское движение оказывается тем заметнее, чем меньше частица и чем выше температура системы. Зависимость от температуры свидетельствует о том, что скорость хаотического движения молекул возрастает с увеличением температуры, именно поэтому его и называют тепловым движением.

Закон Авогадро

Закон Авогадро — одинаковые объёмы любых газов при одинаковом давлении и температуре содержат одинаковое число молекул.

Этот закон был открыт на основе опытов по химии итальянским учёным Амедео Авогадро в 1811 году. Закон касается слабо сжатых газов (например, газов под атмосферным давлением). В случае сильно сжатых газов считать его справедливым нельзя. Закон Авогадро означает, что давление газа при определённой температуре зависит только от числа молекул в единице объёма газа, но не зависит от того, какие это молекулы.

Количество вещества, содержащее число граммов, равное его молекулярной массе, называется грамм-молекулой или молем. Из сказанного следует, что моли разных веществ содержат одинаковое число молекул. Число молекул в одном моле вещества, получившее название «число Авогадро», является важной физической величиной. По ГОСТ 3651.2-97, значение постоянной Авогадро принимается:

NA = 6,0221367 · 1023 ± 0,0000036 · 1023 моль−1

Число Авогадро, по данным CODATA−2010, равно

NA = 6,02214129 · 1023 ± 0,00000027 · 1023 моль−1

Для определения постоянной Авогадро были сделаны многочисленные и разнообразные исследования (броуновского движения, явлений электролиза и др.), которые привели к достаточно согласованным результатам и являются ярким свидетельством реальности молекул и молекулярного строения вещества.

Кинетическая теория

Кинетическая теория даёт представление о макроскопических свойствах газов, рассматривая их молекулярное строение и движение молекул. Начиная с определения импульса и кинетической энергии, можно, используя закон сохранения импульса и геометрические зависимости, связать макроскопические свойства системы (температуру и давление) с микроскопическими свойствами (кинетической энергии одной молекулы).

Кинетическая теория объясняет термодинамические явления, исходя из атомистических представлений. Теория постулирует, что тепло является следствием хаотического движения чрезвычайно большого количества микроскопических частиц (атомов и молекул). Теория объясняет, как газовая система реагирует на внешние воздействия. Например, когда газ нагревается от абсолютного нуля, при котором его (классические) частицы абсолютно неподвижны, скорость частиц возрастает с ростом его температуры. Это приводит к большему числу их столкновений со стенками сосуда в единицу времени за счёт более высокой скорости. По мере роста числа столкновений возрастает их воздействие на стенки сосуда, пропорционально которому возрастает давление.

Успешное объяснение газовых законов, исходя из положений кинетической теории, стало одним из факторов подтверждения атомарного строения веществ в природе. В современной физике молекулярно-кинетическая теория рассматривается как составная часть статистической механики.

Электрический ток в газах

Газы — очень плохие проводники, но в ионизированном состоянии газ способен проводить электрический ток. Проводимость газа зависит от напряжения нелинейно, поскольку степень ионизации изменяется по сложному закону. Основных способов ионизации газа два: термическая ионизация и ионизация электрическим разрядом. Кроме того, существует так называемый самостоятельный электрический разряд (пример — молния).

Термическая ионизация — придание атомам достаточной кинетической энергии для отрыва электрона от ядра и последующей ионизации вследствие повышения температуры газа и тепловое движение атомов газа, приводящее к столкновениям и превращением их в кинетическую энергию. Температуры, необходимые для ионизации газов, очень высоки (например, для водорода этот показатель составляет 6000 К). Этот тип ионизации газов распространён преимущественно в природе.

При низкой температуре газ также может проводить ток, если мощность его внутреннего электрического поля превышает некоторое пороговое значение. Пороговое значение в этом случае — достижение электроном под действием электрического поля достаточной кинетической энергии, необходимой для ионизации атома. Далее электроны снова разгоняются электрическим полем для ионизации и ионизируют два атома и т. д. — процесс становится цепным. В конечном итоге все свободные электроны достигнут позитивного электрода, позитивные ионы — негативного электрода. Данный тип ионизации распространён преимущественно в промышленности.

При нагревании катода электрическим разрядом с большой силой тока происходит его нагрев до степени термоэлектронной эмиссии электронов из него (дуговой разряд).

Процессы переноса

Для газа характерен высокий коэффициент самодиффузии.

Газы имеют невысокую теплопроводность, поскольку передача энергии от молекулы к молекуле происходит за счет редких столкновений. Этим объясняются хорошие теплоизоляционные свойства шерсти и ваты, материалов, в которых большинство объёма заполнено воздухом. Но в газах действует другой механизм передачи тепла — конвекция.

Сжимаемость

Сжимаемость (z) — это отношение удельного объёма газа к удельному объёму идеального газа с такой же молярной массой. Как правило, это число чуть меньше единицы, при этом наиболее значительно отклоняется от неё вблизи линии насыщения и для достаточно сложных органических газов, например, для метана при стандартных условиях z = 0 , 9981 {displaystyle z=0,9981} .

Рассчитать коэффициент сжимаемости можно несколькими способами:

  • модифицированным методом NX19 мод;
  • модифицированным уравнением состояния GERG-91 мод;
  • уравнением состояния AGA8-92DC;
  • уравнением состояния ВНИЦ СМВ.

Теплоёмкость

Теплоёмкость газа сильно зависит от характера процесса, который с ним протекает. Наиболее часто используются изобарная теплоёмкость c p {displaystyle c_{p}} и изохорная c v {displaystyle c_{v}} ; для идеального газа c p = c v + R {displaystyle c_{p}=c_{v}+R} .

Теплопроводность

Теплопроводность газов — явление направленного переноса тепловой энергии за счёт столкновения частиц газа без переноса вещества.

Вязкость

В отличие от жидкостей, кинематическая вязкость газов с ростом температуры растёт, хотя для динамической вязкости зависимость менее выражена. Также вязкость растёт с давлением.

Число Прандтля

Число Прандтля (отношение кинематической вязкости к температуропроводности) P r = ν a = μ c p λ {displaystyle mathrm {Pr} ={nu over a}={mu c_{p} over lambda }} для газов обычно немного меньше единицы.

Упрощённые модели газа

Под уравнением состояния (для газов) подразумевают математическую модель, которая используется для приближённого описания или моделирования свойств газа. В настоящее время не существует единого уравнения состояния, которое бы точно прогнозировало свойства всех газов при любых условиях. Поэтому было разработано большое число точных уравнений состояния для конкретных газов в диапазоне определённых температур и давлений. Математические модели газа, наиболее часто используемые — это модели «идеального газа» и «реального газа».

Идеальный газ

Идеальный газ — это газ, в котором молекулы можно считать материальными точками, а силами притяжения и отталкивания между молекулами можно пренебречь. В природе такого газа не существует, но близкими по свойствам к идеальному газу являются реальные разреженные газы при давлениях, не превышающих 200 атмосфер, и не очень низких температурах, поскольку при таких условиях расстояние между молекулами намного превышает их размеры. С точки зрения феноменологической термодинамики идеальным газом (по определению) называется гипотетический, не существующий в природе, газ, в точности подчиняющийся уравнению газового состояния Клапейрона — Менделеева: P V = ν R T {displaystyle PV=nu ,RT}

Различают три типа идеального газа:

  • Классический идеальный газ или газ Максвелла — Больцмана.
  • Идеальный квантовый газ Бозе (состоит из бозонов).
  • Идеальный квантовый газ Ферми (состоит из фермионов).

Внутренняя энергия идеального газа описывается следующим уравнением:

U = c ^ V n R T = c ^ V N k T , {displaystyle U={hat {c}}_{V}nRT={hat {c}}_{V}NkT,}

где

c ^ V {displaystyle {hat {c}}_{V}} является константой (равной, например, 3/2 для одноатомного газа), U {displaystyle U}  — внутренняя энергия (Дж), P {displaystyle P}  — давление (Па), V {displaystyle V}  — объём (м3), n {displaystyle n}  — количество вещества (моль), R {displaystyle R}  — универсальная газовая постоянная (Дж/(моль·К)), T {displaystyle T}  — абсолютная температура (К), N {displaystyle N}  — количество молекул, k {displaystyle k}  — постоянная Больцмана (Дж/К).

Реальный газ

Нефть и Газ Изотермы реального газа (схематично)

Синие — изотермы при температуре ниже критической. Зелёные участки на них — метастабильные состояния.

Участок левее точки F — нормальная жидкость.
Точка F — точка кипения.
Прямая FG — коннода, то есть изотерма равновесия жидкой и газовой фаз внутри двухфазной области.
Участок FA — перегретая жидкость.
Участок F′A — растянутая жидкость (p<0).
Участок AC — аналитическое продолжение изотермы, физически невозможен.
Участок CG — переохлаждённый пар.
Точка G — точка росы.
Участок правее точки G — нормальный газ.
Площади фигуры FAB и GCB равны.

Красная — критическая изотерма.
K — критическая точка.

Голубые — сверхкритические изотермы

Реальный газ — это газ, между молекулами которого действуют силы межмолекулярного взаимодействия.

Опыт показал, что законы идеальных газов с высокой степенью точности справедливы для реальных газов лишь при температурах, превышающих критическую. При повышении давления и понижении температуры ниже критической обнаруживаются значительные отклонения в поведении всех реальных газов. Реальный газ имеет сжимаемость от внешних сил значительно меньшую, чем идеальный. Реальные газы конденсируются, а уравнение состояния идеального газа не может объяснить переход вещества из газообразного состояния в жидкое.

Силы межмолекулярного взаимодействия — короткодействующие, то есть проявляются на расстояниях R ≤ 10−9 м и быстро уменьшаются с увеличением расстояния.

Силы межмолекулярного взаимодействия в зависимости от расстояния между молекулами могут быть силами притяжения или силами отталкивания. Молекулярные силы притяжения называют силами Ван-дер-Ваальса. Из рисунка видно, что для больших расстояний между молекулами, когда плотность газа мала, силы Ван-дер-Ваальса правильно передают характер взаимодействия между молекулами. Части кривой, соответствующей межмолекулярному отталкиванию, в модели Ван-дер-Ваальса соответствует положительная часть кривой. На этом участке U (r) → ∞ при r ≤ d, то есть центры молекул не могут приблизиться на расстояние r < d (d — диаметр молекулы). В общем, изображена пунктиром кривая представляет потенциальную энергию парного взаимодействия молекул, между которыми действуют силы притяжения, а силы отталкивания проявляются лишь в случае столкновения согласно модели твердых шариков.

В 1873 году Ван-дер-Ваальс, проанализировав причины отклонения свойств реальных газов от закона Бойля-Мариотта, вывел уравнение состояния реального газа, в котором были учтены собственный объём молекул и силы взаимодействия между ними. Аналитическое выражение уравнение Ван-дер-Ваальса для одного моля газа имеет вид:

( p + a V μ 2 ) ( V μ − b ) = R T {displaystyle left(p+{frac {a}{V_{mu }^{2}}}right)left(V_{mu }-bright)=RT} ,

где коэффициенты a {displaystyle a} и b {displaystyle b} называют постоянными Ван дер Ваальса, которые зависят от химической природы вещества, температуры и давления.

Уравнение Ван дер Ваальса для произвольного количества газа массой m {displaystyle m} имеет вид:

( p + m 2 μ 2 a V 2 ) ( V − m μ b ) = m μ R T {displaystyle left(p+{frac {m^{2}}{mu ^{2}}}{frac {a}{V^{2}}}right)left(V-{frac {m}{mu }}bright)={frac {m}{mu }}RT}

Уравнение Ван-дер-Ваальса является приближенным уравнением состояния реального газа, причем степень его приближения различна для разных газов. Записано большое количество эмпирических и полуэмпирических уравнений состояния реальных газов (уравнение: Бертло, Клаузиуса — Клапейрона, Дитеричи, Редлиха — Квонг, Камерлинг-Оннес т. п.). За счет увеличения числа констант в этих уравнениях можно достичь лучшего согласования с практикой, по сравнению с уравнением Ван-дер-Ваальса. Однако уравнение Ван-дер-Ваальса, благодаря своей простоте и физическому содержанию постоянных a {displaystyle a} и b {displaystyle b} входящих в него, является самым распространённым для анализа качественной поведения реальных газов.

Нефть и Газ

Оцените статью
( 24 оценки, среднее 4.67 из 5 )
Хочу
Оставьте заявку удобным вам способом!
Оставить заявку

Оставить заявку / Задать вопрос

Нажимая на кнопку ОТПРАВИТЬ, я даю согласие на обработку персональных данных
×

Найти работу в Китае

Нажимая на кнопку ОТПРАВИТЬ, я даю согласие на обработку персональных данных
×

Получить консультацию юриста

Нажимая на кнопку ОТПРАВИТЬ, я даю согласие на обработку персональных данных
×

Записаться на курсы

Нажимая на кнопку ЗАПИСАТЬСЯ, я даю согласие на обработку персональных данных
×
×
×