1 Основные положения молекулярно-кинетической теории. Их опытные обоснования Броуновским движением, дифузией и другими опытными данными. Понятие о внутренней энергии тела. Определение внутренней энергии тела.
1)вещество состоит из частиц - молекул и атомов, разделенных промежутками,
2)эти частицы хаотически движутся,
3)частицы взаимодействуют друг с другом.
Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей,
процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления.
Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение — непрерывное
хаотическое движение микроскопических частиц,
нерастворимых в жидкости.
Понятие внутренней энергии тела:
с точки зрения МКТ, внутренняя энергия макроскопического
тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул
(или атомов)тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом.
Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии по формуле:
U=Q+A , где Q = теплота , измеренная в джоулях
А = работа , измеренная в джоулях (от Бориса Ильина)
Вещества состоят из молекул и эти молекулы постоянно хаотично движутся - Броуновское движение. Дифузия - это проникание молекул одного вещества в другое. В газах и большинстве жидкостей это полное перемешивание а в твёрдых веществах лишь небольшре слияние. Для ускорения дифузии вещества надо нагреть - это придаст молекулам скорость и этим ускорит дифизию. 2 Скорость движения молекул на основании опыта Штерна. Число Авогадро. Масса и размеры малекул. Число Авогадро.
NA = (6,022045±0,000031)* 10^23, число молекул в моле любого вещества или число атомов в моле простого вещества.
Одна из фундаментальных постоянных,с помощью которой можно определить такие величины, как, например,
массу атома или молекулы (см. ниже), заряд электрона и т.д.
Масса и размеры молекул.
В соответствии с первым положением МКТ все вещества состоят из частиц. Этими частицами могут быть молекулы, атомы или элементарные частицы.
Для того, чтобы убедится в их реальности, нужно определить их размеры.
Проще всего это сделать, наблюдая растекание масла по поверхности воды.
Так как капля масла V=1см3 не может растечься на S>0,6 м2. Исходя из этого, можно предполагать, что толщина этого слоя равна одной молекуле,
тогда её диаметр можно найти по формуле d=1, 7*10^-7м.
Размеры молекулы вещества, в том числе и масла больше размеров атомов (dатома10-10м). Число молекул огромно. Так как число атомов в молекуле воды V=1см3 при m=1г примерно равно N=3,7*10^22.
Массу молекулы воды можно найти, если поделить массу этой капли на количество молекул в ней: m=2,7*10^-23г.
Молекулы других веществ имеют настолько же малые массы, кроме молекул органических веществ,
которые имеют массу в сотни тысяч раз больше, но всё равно очень малые по сравнению с граммами. (от Бориса Ильина)
3 Понятие об идеальном газе. Определение давления газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Формула давления. Единицы давления в системе СИ. От чегозависит давление газа на стенки сосуда? Обосновать с точки зрения молекулярно-кинетической теории, с точки зрения основного уравнения кинетической теории теории газа. Идеальный газ - это газ между молекулами которого отсутствуют силы молекулярного взаимодействия. Газ как и другая материя состоит из хаотично движущихся молекул. Если поместить газ в сосуд то молекулы газа будут ударяться о стенки сосуда тем самым создавая давление. Если уменьшить объём сосуда то молекулам будет теснее и поэтому они будут чаще ударяться о стенки сосуда и из за этого давление будет больше. Если подогреть газ то молекулы ускорятся и давление так же возрастёт. Понятие идеального газа.
Идеальным принято считать газ, если:
а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;
б) газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;
в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно.
Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа.
Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных.
Основными параметрами идеального газа являются давление,
объем и температура.
С точки зрения Молекулярно-кинетической теории идеальным газом называется газ,
молекулы которого являются материальными точками,
то есть расстояния между молекулами намного превосходят их размеры,
а единственный вид их взаимодействий между собой - упругие механические столкновения.
Формула давления.
P=F/S , где P= давление , Па
F= Приложенная сила , Н
S= Gлощадь поверхности, м2
Единицы давления в системе СИ.
Н(Ньютон) , Па(Паскаль) , Дж(Джоуль)----------------
Зависимость давления газа на стенки сосудов.
1. Если температура и масса газа неизменны, то при уменьшении объема газа его давление увеличивается, а при увеличении объема давление уменьшается .
2.Давление газа в закрытом сосуде зависит от температуры, если масса и объем газа неизменны (от Бориса Ильина)
4 Определение изотермического процесса в газах Бойля-Марриотта. Графики изотермического процесса. Изотермический процесс - процесс изменения состояния определённой массы зага при постоянной температуре. Т=const. 5 Определение изохорического процесса в газах. Закон Шарля. Объяснение изохорического процесса с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Выражение закона Шарля через температуру в шкале Цельсия и Кельвина. Изохорный процесс - процесс изменения состояния газа определенной массы
при постоянном обьеме.
V=const , m=const
Закон Шарля.
Для газа данной массы отношение давления газа к его термодинамической
температуре постоянно :
p1/T1=p2/T2
где p1 , p2 , T1 , T2 - давление и температура газа в начальном и конечном
состояниях.
Обьяснение закона Шарля с точки зрения молекулярно-кинетической теории .
Для газа с данной массой отношение суммы соударений
быстро движущихся молекул со стенкой к его термодинамической температуре постоянно . Из этого следует
что если нагревать газ в сосуде то соударений молекул о его стенки будет больше ровно на столько ,
на сколько нагрет газ.
Выражение закона Шарля через температуру в шкале цельсия и Кельвина.
Если при 100°С давление газа равно 1,37 атм, то при 200 °С оно равно 1,73 атм. Температура, отсчитанная по шкале Цельсия, увеличилась вдвое, а давление газа увеличилось только в 1,26 раза. Ничего удивительного в этом нет, ибо шкала Цельсия установлена условно, без всякой связи с законами расширения газа. Можно, однако, пользуясь газовыми законами, установить такую шкалу температур, что давление газа будет пропорционально температуре, измеренной по этой шкале.
В самом деле, пусть при некоторой температуре t1 давление газа равно р1, а при некоторой другой температуре t2 давление газа равно р2. По закону Шарля
Разделив эти равенства почленно, получим
(234.1)
Величину 273+t можно рассматривать как значение температуры, отсчитанное по новой температурной шкале, единица которой такая же, как и у шкалы Цельсия, а за
Рис. 385. График, выражающий закон Шарля
нуль принята точка, лежащая на 273 °С ниже точки, принятой за нуль шкалы Цельсия, т. е. точки таяния льда. Нуль этой новой шкалы называют абсолютным нулем. Это название обусловлено тем, что, как было доказано английским физиком Вильямом Томсоном Кельвином (1824—1907), ни одно тело не может быть охлаждено ниже этой температуры. Эту новую шкалу называют термодинамической шкалой температур. Таким образом, абсолютный нуль указывает температуру, равную —273 °С, и представляет собой температуру, ниже которой не может быть ни при каких условиях охлаждено ни одно тело.
Температура 273+t представляет собой термодинамическую температуру тела, имеющего по шкале Цельсия температуру, равную t. Обычно термодинамическую температуру обозначают буквой Т. Единица термодинамической шкалы температур носит название кельвин (К) и является одной из основных единиц СИ. Кельвин совпадает с градусом Цельсия.
Между температурой t, отсчитанной по шкале Цельсия, и термодинамической температурой Т имеются следующие соотношения:
T=t+273K или t=T—273 °С.
Из сказанного вытекает, что равенство (234.1) можно представить в виде
(234.2)
— давление данной массы газа при постоянном объеме пропорционально термодинамической температуре. Это — другое выражение закона Шарля.
Формулой (234.2) удобно пользоваться и в том случае, когда давление при 0°С (р0) неизвестно. Рассмотрим пример. Пусть при t1=25 °С давление газа в баллоне р1=40 атм. Каково давление при температуре t2=35°С? В данном случае термодинамические температуры газа равны соответствено
T1=273 К+25 К=298 К, T2=273 К+35 К=308 К. Пользуясь законом Шарля, можем написать
234.1. Манометр на баллоне с кислородом в помещении с температурой воздуха, равной 17 °С, показывал давление 95 атм. Этот баллон вынесли в сарай, где на другой день при температуре—13 °С показание манометра было 85 атм. Возникло подозрение, что часть кислорода из баллона была израсходована. Проверьте, правильно ли это подозрение. (от Бориса Ильина)
Изохорный процесс - процесс изменения состояния определённой массы газа при постоянном объёме. 6 Вывод значения абсолютного нуля, физический смысл абсолютного нуля. Термодинамическая шкала температур и её связь со шкалой Цельсия. Запись закона Шарля с помощью термодинамической шкалы температур. Связь между абсолютной температурой и кинетической энергией молекул газа. Постоянная Больцмана. Абсолютный нуль = 273,15 градуса Цельсия. Абсолютный нуль - это температура когда останавливается любое движение в том числе и молекулярное. 7 Определение изобарического процесса. Закон Гей-Люссака. Объяснение с точки зрения молекулярно-кинетической теории. Запись закона Гей-Люссака с помощью термодинамической шкалы температур. Изобарный процесс-процесс изменения состояния определённой массы газа при постоянном давлении.
При изобарном процессе p=const,m=const. при этих условиях из уравнения Клапейрона-Менделеева следуетзакон Гей-Люссака
(V\T)=const=(m\M)(R\P)
Откуда
V=const*T
ЗАКОН ГЕЙ-ЛЮССАКА
Для газа данной массы при постоянном давление объёма газа к его термодинамической температуре постоянно:
(V1\T1)=(V2\T2)
Изобара-график изменения макроскопических параметров газа при изобарном процессе.
Согласно закону Гей-Люссака отношение первоночального объёма V1 газа к его температуре T1 равно отношению этих параметровV2,T2 в произвольный момент времени.
8)Уравнение Клапейрона-Менделеева-уравнение состояния идеального газа,связывающее три макроскопических параметра(давление,объём и температуру)данной массы газа
pV=(m\M)RT
8 Вывод объядинённого газового закона и его формулировка. Приведение состояния газа к нормальным условиям. Вывод уравнения Клайперона-Менделеева. Уравнение Клапейрона-Менделеева справедливо для идеального газа любого химического состава. Единственной величиной,определяющей специфику газа,является молярная масса. Состояние данной массы газа однозначно определяется заданием любых двух макроскопических параметров(p,V),(p,T) или (V,T). Третий параметр T,V,p соответственно определяется из уравнения Клапейрона-Менделеева. (от Вадима Войнова) 9 Универсальная газовая постоянная. Установление связи между средней кинетической энергией молекул и абсолютной температурой газа. Постоянная Больцмана ( или ) — физическая постоянная, определяющая связь между температурой и энергией. Названа в честь австрийского физика Людвига Больцмана, сделавшего большой вклад в статистическую физику, в которой эта постоянная играет ключевую роль. Её экспериментальное значение в системе СИ равно
Дж/К.
Числа в круглых скобках указывают стандартную погрешность в последних цифрах значения величины. В принципе, постоянная Больцмана может быть получена из определения абсолютной температуры и других физических постоянных. Однако, вычисление постоянной Больцмана с помощью основных принципов слишком сложно и невыполнимо при современном уровне знаний. В естественной системе единиц Планка естественная единица температуры задаётся так, что постоянная Больцмана равна единице.
Универсальная газовая постоянная определяется как произведение постоянной Больцмана на число Авогадро, . Газовая постоянная более удобна, когда число частиц задано в молях.
NA = 6,02214179×1023 ± 0,00000030•1023 моль−1
это число Авогадро!
P.S. Людвиг Больцман(20февраля 1844,Вена,Австрия-5сентября 1906,Дуино,Италия)
10)Первый закон термодинамики
Кол-во теплоты,подведённое к системе,идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами Q=(сдесь маленький треугольник)U+A
Удельная теплоёмкость (обозначается как С)вещ-ва определяется как кол-во тепловой энергии,необходимой для повышения температуры одного килограмма вещ-ва на 1кельвин
Единицей Си для удельной теплоёмкости является Джоуль на килограмм кельвина
(J\(kg*K))
Следовательно, удельную теплоёмкость можно рассматривать как теплоёмкость единицы массы вещ-ва. На значение удельной теплоемкости влияет температура вещ-ва. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 С и 60 С.
Формула расчёта удельной теплоёмкости с=(Q\m(сдесь маленький треугольник)t ,где с-теплоёмкость, Q-кол-во теплоты,полученное вещ-вом при нагреве(или выделившиеся при охлаждении,m-масса нагреваемого(охлаждающегося)вещ-ва, (сдесь маленький треугольник) t-разность температур,на которую нагрели вещ-во (от Вадима Войнова) 10 Количество теплоты. Формула для расчёта теплоты , удельная теплоёмкость вещества, их единицы измерения. Уравнение теплового баланса. Первый закон термодинамики
Кол-во теплоты,подведённое к системе,идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами Q=(сдесь маленький треугольник)U+A
Удельная теплоёмкость (обозначается как С)вещ-ва определяется как кол-во тепловой энергии,необходимой для повышения температуры одного килограмма вещ-ва на 1кельвин
Единицей Си для удельной теплоёмкости является Джоуль на килограмм кельвина
(J\(kg*K)) Следовательно, удельную теплоёмкость можно рассматривать как теплоёмкость единицы массы вещ-ва. На значение удельной теплоемкости влияет температура вещ-ва. К примеру, измерение удельной теплоёмкости воды даст разные результаты при 20 С и 60 С.
Формула расчёта удельной теплоёмкости с=(Q\m(сдесь маленький треугольник)t ,где с-теплоёмкость, Q-кол-во теплоты,полученное вещ-вом при нагреве(или выделившиеся при охлаждении,m-масса нагреваемого(охлаждающегося)вещ-ва, (сдесь маленький треугольник) t-разность температур,на которую нагрели вещ-во (от Вадима Войнова)
11 Первое начало термодинамики. Адиабатический, изохорический, изотермический, изобарический процессы в газах. Графическое изображение работы. Работа газа при изобарическом процессе. Адиабатным процессом называется процесс, происходящий в термодинамической системе при отсутствии теплообмена с окружающими телами, то есть при условии Q = 0.
Отсутствие теплообмена с окружающей средой может быть обеспечено хорошей теплоизоляцией газа. Быстрые процессы расширения или сжатия газа могут быть близкими к адиабатическому и при отсутствии теплоизоляции, если время, за которое происходит изменение объема газа, значительно меньше времени, необходимого для установления теплового равновесия газа с окружающими телами.
Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа ΔU равно работе внешних сил А:
ΔU = А
Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура повышается.
При адиабатном расширении газ совершает работу А' за счет уменьшения своей внутренней энергии:
ΔU = - А'
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называется изобарным. Изобарный процесс протекает при неизменном давлении p и условии m = const и M = const.
Согласно уравнению, в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объема газа к его температуре остается постоянным:
где V – объем газа при абсолютной температуре T, V0 – объем газа при температуре 00С; коэффициент α, равный 1/273 К-1, называется температурным коэффициентом объемного расширения газов.
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Этот закон был установлен экспериментально в 1802г. французским ученым Ж. Гей-Люссаком (1778 – 1850) и носит название закон Гей-Люссака.
Формулу закона Гей-Люссака можно переписать в виде:
Таким образом, при неизменной массе газа и постоянном давлении его объем с повышением температуры на 1 градус увеличивается на 1/273 часть того объема, который газ занимает при 273К (00С).
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. Изохорный процесс, протекающий при неизменном объеме V и условии m = const и M = const.
При этих условиях из уравнения состояния идеального газа вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объемом отношение давления газа к его температуре остается постоянным:
Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется.
Этот газовый закон был установлен в 1787г. французским физиком Ж. Шарлем (1746 – 1823) и носит название закон Шарля.
Изотермический процесс можно осуществить, например, путем изменения объема газа при постоянной температуре.
Этот закон экспериментально был открыт английским ученым Р. Бойлем (1627-1691) и несколько позже французским ученым Э. Мариоттом (1620-1684). Поэтому он носит название закона Бойля – Мариотта.
Закон Бойля – Мариотта справедлив для любых газов, а также и для их смесей (например, для воздуха). Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.
Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображается кривой, которая называется изотермой. Изотерма газа изображается обратно пропорциональную зависимость между давление и объемом. (от Вадима Войнова)
12 Парообразование и конденсация. Испарение. Условия, от которых зависит быстрота испарения, охлаждение и испарение, объяснение этого явления на основе молекулярно-кинетической теории. Парообразование - это явление которое происходит в жидкости при любой температуре. Молекулы постоянно движутся и когда молекула жидкости вырывается на поверхность она отрывается. Конденсация - это процесс обратный парообразованию. Молекулы водяного пара приближаются к поверхности жидкости и присоединяются к ней. Так же конденсация происходит когда водяной пар остужается. Есть 3 фактора влияющие на испарение: 1 Площадь поверхности жидкости 2 Перенос воздушных масс (ветер) 3 Род жидкости и её плотность. 13 Пары насыщение и ненасыщение пространсктва. Их свойства. Вещ-во в газообразном состоянии,находящиеся в динамическом равновесии с жидкостью,называют насыщенным паром.(Паром называют совокупность молекул,покинувших жидкость в процессе испарения) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного называют ненасыщенным.
Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоёмов,почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа.Так, давление насыщенного пара не зависит от объёма,но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой,поэтому на основе экспериментального пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах. (от Вадима Войнова)
14 Кипение жидкости. Зависимость температуры кипения от давления. Точка кипения. Удельная теплота парообразования, единицы измерения. Формула количества теплоты, необходимой для кипения. Кипе́ние — процесс парообразования по всему объёму жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние). Поскольку при кипении изменяется удельный объём вещества, то кипение — это фазовый переход первого рода. Кипение происходит гораздо более интенсивно, чем испарение, из-за образования очагов парообразования, обусловленных как достигнутой температурой кипения, так и наличием примесей.[1]
На процесс образования пузырьков можно влиять с помощью давления, звуковых волн, ионизации. В частности, именно на принципе вскипания микрообъёмов жидкости от ионизации при прохождении заряженных частиц работает пузырьковая камера. Температу́ра кипе́ния, точка кипения — температура, при которой происходит кипение жидкости, находящейся под постоянным давлением. Температура кипения соответствует температуре насыщенного пара над плоской поверхностью кипящей жидкости, так как сама жидкость всегда несколько перегрета относительно температуры кипения.
таяния льда (0° C) и температуре кипения (100° C).
С ростом давления температура кипения увеличивается ( ). Предельной температурой кипения является критическая температура вещества.
Формула: Q=Lm tk (от Вадима Войнова)
15 Критическое состояние вещества. Сжатие газов и использование полученных жидкостей в технике. 1) предельное состояние равновесия двухфазных систем, в котором обе сосуществующие фазы становятся тождественными по своим свойствам;
2) состояние вещества в точках фазовых переходов II рода. К. с., являющееся предельным случаем равновесия двухфазных систем, наблюдается в чистых веществах при равновесии жидкость — газ, а в растворах — при фазовых равновесиях газ — газ, жидкость — жидкость, жидкость — газ, твёрдое тело — твёрдое тело. На диаграммах состояния К. с. соответствуют предельные точки на кривых равновесия фаз (рис. 1, а и б) — т. н. критические точки. Согласно фаз правилу критическая точка изолирована в случае двухфазного равновесия чистого вещества, а, например, в случае бинарных (двойных) растворов критические точки образуют критическую кривую в пространстве термодинамических переменных (параметров состояния). Значения параметров состояния, соответствующие К. с., называются критическими — критическое давление рк, критическая температура Тк, критический объём Vк, критический состав хк и т. д.
С приближением к К. с. различия в плотности, составе и др. свойствах сосуществующих фаз, а также теплота фазового перехода и межфазное поверхностное натяжение уменьшаются и в критической точке равны нулю.
В том случае, когда кривая сосуществования фаз заканчивается критической точкой, оказывается принципиально возможным перевести вещество из одной фазы в другую, минуя область расслоения на две фазы (например, газ превратить в жидкость, изменяя его состояние по линии AB на рис. 1, а, т. е. минуя область, где одновременно существуют газ и жидкость). Сжижение (конденсацию) газов возможно осуществить лишь после их охлаждения до температур, меньших Тк.
В двухкомпонентных системах характерные для К. с. явления наблюдаются не только в критической точке равновесия жидкость — газ, но и в так называемых критических точках растворимости, где взаимная растворимость компонентов становится неограниченной. Существуют двойные жидкие системы как с одной, так и с двумя критическими точками растворимости — верхней и нижней (рис. 2, а и б). Эти точки являются температурными границами области расслаивания жидких смесей на фазы различного состава. Аналогичной способностью к расслаиванию при определённой критической температуре обладают некоторые растворы газов и твёрдые растворы.
Переход системы из однофазного состояния в двухфазное вне критической точки и изменение состояния в самой критической точке происходят существенно различным образом. В первом случае при расслоении на две фазы переход начинается с появления (или исчезновения) бесконечно малого количества второй фазы с конечным отличием её свойств от свойств первой фазы, что сопровождается выделением или поглощением теплоты фазового перехода. Поскольку возникновение такой новой фазы приводит к появлению поверхности раздела и поверхностной энергии, для её рождения требуются достаточно большие зародыши. Это означает, что при таком фазовом переходе (фазовом переходе 1 рода) возможны переохлаждение или перегрев первой фазы, обусловленные отсутствием жизнеспособных зародышей новой фазы.
Фазовые переходы в критических точках, являющихся предельными на кривых равновесия фаз, представляют собой частные случаи фазовых переходов II рода. В критической точке фазовый переход происходит в масштабах всей системы. Флуктуационно возникающая новая фаза по своим свойствам бесконечно мало отличается от свойств исходной фазы. Поэтому возникновение новой фазы не связано с поверхностной энергией, т. е. исключается перегрев или переохлаждение, и фазовый переход не сопровождается выделением или поглощением теплоты и скачком удельного объёма (фазовый переход II рода).
При приближении к К. с. физические свойства вещества резко изменяются: теоретически неограниченно возрастает теплоёмкость и восприимчивость системы к внешним воздействиям (например, изотермическая сжимаемость в случае чистых жидкостей, магнитная восприимчивость у ферромагнетиков и т. д.); наблюдается целый ряд др. особенностей в поведении вещества (см. Критические явления). Эти особенности, характерные для К. с. объектов самой различной природы, объясняются тем, что свойства вещества в К. с. определяются не столько конкретными законами взаимодействия его частиц, сколько резким возрастанием в веществе флуктуаций и радиуса их корреляции. Знание особых свойств веществ в К. с. необходимо во многих областях науки и техники: при создании энергетических установок на сверхкритических параметрах, сверхпроводящих систем, установок для сжижения газов, разделения смесей и т. д. (от Виктора Косова)
16 Водяной пар в атмосфере. Абсолютная и относительная влажность воздуха, точки росы. Приборы для определения влажности воздуха. Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение для процессов, происходящих в атмосфере. Оно оказывает также большое влияние на жизнь растений и животных. Количество водяного пара в воздухе можно выразить при помощи следующих величин: а) давление водяного пара (парциальное, § 239); б) абсолютная влажность воздуха — масса водяного пара в 1 м3 воздуха, выраженная в граммах; в) относительная влажность воздуха — отношение давления пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах. В табл. 24 приведены значения давления насыщенных паров воды при различных температурах, выраженные в миллиметрах ртутного столба, а также абсолютная влажность воздуха, соответствующая этому давлению.
Таблица 24. Давление насыщенного пара воды и абсолютная влажность воздуха в зависимости от температуры
Давление насыщенного пара зависит также от того, находится ли пар над поверхностью переохлажденной воды или над поверхностью льда. Над льдом давление насыщенного пара меньше, чем над переохлажденной водой при той же температуре (§ 301). Это значит, что если в воздух, содержащий водяной пар вблизи состояния насыщения, внести кусочек льда и капельку переохлажденной воды, то на поверхности льда начнется конденсация и он будет увеличиваться в размерах, а капелька воды будет испаряться и уменьшаться. Этот процесс имеет очень большое значение при образовании осадков (§ 311).
Для определения влажности воздуха пользуются гигрометром и психрометром.
1. Волосной гигрометр изображен на рис. 503. Основная часть прибора — обезжиренный человеческий волос 1, обладающий способностью удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Волос 1 навит на ролик 2 и держится в натянутом состоянии грузиком 3. При изменении влажности меняется длина волоса, ролик 2 вращается и движет стрелку 4. Деления шкалы указывают
Рис. 503. Волосной гигрометр
Рис. 504. Психрометр
относительную влажность. Если одновременно измерять и температуру воздуха, то можно определить абсолютную влажность воздуха и давление водяного пара.
Пусть, например, относительная влажность равна 50%, а температура воздуха равна 20 °С. Тогда из табл. 24 находим, что давление насыщенного пара при температуре 20 °С равно 17,5 мм рт. ст., абсолютная влажность— 17,32 г/м3. Следовательно, давление (парциальное) водяного пара равно 17,5 •0,5=8,75 мм рт. ст., а в 1 м3 воздуха содержится 17,32•0,5=8,66 г воды в виде пара.
2. Психрометр изображен на рис. 504. Прибор состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из термометров обернут куском чистого батиста, нижний край которого опущен в небольшой стеклянный стаканчик с дистиллированной водой. Вода смачивает батист и испаряется на шарике термометра, если водяной пар в воздухе не является насыщенным. Вследствие потери тепла на испарение шарик термометра охлаждается и смоченный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Разница между показаниями термометров тем больше, чем больше отличается давление водяного пара, содержащегося в воздухе, от давления насыщенного пара. По показаниям сухого и смоченного термометров при помощи особых психрометрических таблиц находят давление водяного пара и относительную влажность воздуха.
При понижении температуры воздуха при постоянной массе водяного пара относительная влажность возрастает, так как чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной пар к состоянию насыщения. Наконец, при какой-то определенной температуре относительная влажность становится равной 100 %, и дальнейшее понижение температуры приводит к конденсации водяного пара. Появляется туман, «запотевают» окна, на траве оседают капельки росы. Температуру, при которой пар при данном давлении становится насыщенным, или, что то же самое, при которой относительная влажность воздуха становится равной 100 %, называют точкой росы. Точку росы легко определить, медленно охлаждая металлический стакан, например бросая в него кусочки льда, и замечая температуру, при которой стакан запотевает.
Существуют и специальные приборы для определения точки росы, действующие примерно по тому же способу. Зная точку росы, можно определить давление водяных паров и влажность воздуха абсолютную и относительную. Пусть, например, точка росы равна 10°С, а температура воздуха равна 20 °С. Из табл. 24 находим, что при 10 °С давление насыщенного пара равно 9,21 мм рт. ст., а в 1 м3 содержится 9,41 г воды в виде пара. При 20°С давление насыщенного пара было бы равно 17,5 мм рт. ст. Следовательно, относительная влажность воздуха равна (9,41:17,5)•100=52,6 %.
306.1. Какова относительная влажность воздуха, если в 1 м3 содержится 7,5 г водяных паров, а температура воздуха равна 10 °С?
306.2. Какова масса водяного пара в комнате объемом 115 м3, если при 20°С относительная влажность равна 60%?
306.3. При температуре воздуха 15°С относительная влажность равна 55 % Выпадет ли роса, если температура воздуха упадет до 10°С? (от Виктора Косова)
17 Свойства жидкого состояния вещества. Поверхностный слой жидкости, силы действующие в поверхностном слое жидкости. Коэффициент поверхностного натяжения жидкости, единицы измерения в системе СИ Жидкости занимают промежуточное положение между газо¬образными и твердыми веществами. При температурах, близких к температурам кипения, свойства жидкостей приближаются к свойствам газов; при температурах, близких к температурам плавления, свойства жидкостей приближаются к свойствам твер¬дых веществ. Если для твердых веществ характерна строгая упо¬рядоченность частиц, распространяющаяся на расстояния до со¬тен тысяч межатомных или межмолекулярных радиусов, то в жидком веществе обычно бывает не более нескольких десятков упорядоченных частиц - объясняется это тем, что упорядоченность между частицами в разных местах жидкого вещества так же быстро возникает, как и вновь «размывается» тепловым колебанием частиц. Вместе с тем общая плотность упаковки частиц жидкого вещества мало отличается от твердого вещества - поэтому их плотность близка к плотности твердых тел, а сжимаемость очень мала. Например, чтобы уменьшить объем, занимаемый жидкой водой, на 1%, требуется приложить давление ~ в 200 атм, тогда как для такого же уменьшения объема газов требуется давление порядка 0,01 атм. Следовательно, сжимаемость жид¬костей примерно и 200 : 0,01 = 20000 раз меньше сжимаемости газов.
Выше отмечалось, что жидкости имеют определенный собственный объем и принимают форму сосуда, в котором находятся; эти их свойства значительно ближе к свойствам твердого, чем газообразного вещества. Большая близость жидкого состояния к твердому подтверждается также данными по стандартным энтальпиям испарения ∆Н°исп и стандартным энтальпиям плавления ∆Н°пл. Стандартной энтальпией испарения называют количество теплоты, необходимое для превращения 1
|
