Главная Случайная страница


Полезное:

Как сделать разговор полезным и приятным Как сделать объемную звезду своими руками Как сделать то, что делать не хочется? Как сделать погремушку Как сделать так чтобы женщины сами знакомились с вами Как сделать идею коммерческой Как сделать хорошую растяжку ног? Как сделать наш разум здоровым? Как сделать, чтобы люди обманывали меньше Вопрос 4. Как сделать так, чтобы вас уважали и ценили? Как сделать лучше себе и другим людям Как сделать свидание интересным?


Категории:

АрхитектураАстрономияБиологияГеографияГеологияИнформатикаИскусствоИсторияКулинарияКультураМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОхрана трудаПравоПроизводствоПсихологияРелигияСоциологияСпортТехникаФизикаФилософияХимияЭкологияЭкономикаЭлектроника






Работа при изменении объема газа. Адиабатические процессы





Представим себе газ, расширяющийся в цилиндре под поршнем от объема V1 при давлении p1 до объема V2 при давлении p2 (рис. 27).

По аналогии с механикой, полная работа А*, совершаемая при изменении объема газа, численно равна площади криволинейной трапеции. В математическом выражении

.

Пользуясь последним выражением, рассчитаем работу, совершаемую при изотермическом изменении объема одного моля идеального газа. Согласно закону Менделеева-Клапейрона,

.

Тогда,

.

Еще проще рассчитывается работа изобарического изменения объема газа:

.

Кроме изобарического и изотермического процессов изменения объема газа существует так называемый адиабатический процесс. Адиабатическими называются процессы, происходящие при отсутствии теплообмена между системой и окружающей средой. В этом случае dQ=0 и формула первого начала термодинамики принимает вид

.

Знак минус показывает, что при адиабатическом расширении внутренняя энергия системы уменьшается: система совершает работу за счет своей внутренней энергии. В случае адиабатического сжатия внутренняя энергия системы увеличивается за счет работы, совершаемой внешними силами. Поэтому dU будет положительно, но зато dA примет отрицательное значение и равенство остается справедливым.

Адиабатические процессы в идеальном газе описывает закон Пуассона:

,

где cV=i/2Rмолярная теплоемкость при постоянном объеме – количество теплоты, необходимое для нагревания моля газа на 1 К при постоянном объеме; cp=cV+Rмолярная теплоемкость при постоянном давлении – количество теплоты, необходимое для нагревания моля газа на 1 К при постоянном давлении.

Из закона Пуассона следует, что при адиабатическом расширении газа его температура понижается, а при сжатии – повышается. Для осуществления адиабатических процессов необходима абсолютная теплоизоляция системы от окружающей среды. Наоборот, для осуществления изотермических процессов необходимо обеспечить абсолютную теплопроводность между системой и средой. Однако в природе нет ни абсолютных теплоизоляторов, ни абсолютных теплопроводников. Для практического осуществления процессов, близких к адиабатическим, возможны два пути: очень быстрое изменение объема газа и изменение объема очень большой массы газа. В обоих случаях не успевает произойти значительного теплообмена между газом и окружающей средой, что равносильно наличию хорошей теплоизоляции между ними.

Придадим формуле, отражающей закон Пуассона несколько иной вид, выразив температуру через давление согласно уравнению Менделеева-Клапейрона:

.

Пользуясь законами Пуассона и Бойля-Мариотта (pV=const), представим на графике адиабатический и изотермический процессы (рис. 28).

Оказывается, что адиабата 1 идет круче изотермы 2. Это объясняется тем, что при изотермическом расширении давление газа уменьшается только за счет увеличения объема, тогда как при адиабатическом расширении оно уменьшается и за счет увеличения объема, и за счет понижения температуры.

Работа, совершаемая газом при адиабатическом процессе, пропорциональна изменению температуры газа:

.

Образование облаков. Рассмотрим пример адиабатного процесса в природе – образование облаков. Поверхность Земли неоднородна, поэтому ее нагревание и нагревание прилегающего к ней слоя воздуха в различных местах оказывается неодинаковым. Воздух над участком поверхности, имеющим повышенную температуру по сравнению с соседними участками, в результате нагревания при постоянном давлении расширяется. Понижение плотности воздуха при расширении приводит к тому, что он «всплывает» вверх, а его место занимает более плотный и холодный воздух.

Однако на этом процесс не останавливается. Подъем некоторого количества теплого воздуха в более высокие слои атмосферы сопровождается его дальнейшим расширением, так как по мере удаления от поверхности Земли атмосферное давление уменьшается. Расширение воздуха происходит адиабатно и поэтому сопровождается его охлаждением. Для сухого воздуха подъем на 100 м по вертикали приводит к его охлаждению на 10С. Очевидно, что подъем нагретого воздуха будет продолжаться до тех пор, пока его температура в результате адиабатного охлаждения не сравняется с температурой воздуха на достигнутой высоте.

Водяной пар, содержащийся в воздухе, при подъеме и охлаждении на некоторой высоте из ненасыщенного становится пересыщенным, при этом происходит конденсация пара и возникает облако, состоящее из мельчайших капель воды. Высота нижней границы облака определяется условием охлаждения поднимающегося воздуха до точки росы.

Конденсация водяного пара в облаке сопровождается выделением тепла, поэтому воздух в облаке охлаждается менее интенсивно, чем вне него. Процесс дальнейшего его расширения и подъема продолжается. Облака могут иметь протяженность по вертикали свыше 10 км. Их вершины даже в самый жаркий летний день находятся в слоях воздуха с температурой ниже 00С и состоят не из водяных капель, а из кристаллов льда.

Выяснив механизм образования облаков, поставим вопрос: почему они не падают на Землю? Ответить на него не сложно. Как показали экспериментальные исследования структуры облаков, размеры водяных капель в них лежат в пределах от 2 до 70 мкм. Капли таких малых размеров падают в воздухе с очень малой скоростью. Например, скорость падения капли радиусом 10 мкм составляет всего 1 см/с. Эффект уменьшения скорости падения капли с убыванием ее радиуса объясняется тем, что сила тяжести, действующая на каплю, пропорциональна ее объему, т.е. кубу радиуса: Fт~V~r3, а сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости движения капли и площади ее поперечного сечения, т.е. квадрату ее радиуса: Fс~υS~υr2.

С уменьшением радиуса капли сила тяжести убывает быстрее, чем сила сопротивления воздуха, и эти силы уравновешиваются при все меньших скоростях движения.

Если процесс конденсации пара в облаке идет более интенсивно, чем процесс испарения капель воды на поверхности облака, развитие облака может завершиться выпадением из него дождя, снега или града. По мере подъема вверх восходящим воздушным потоком водяные капли в результате конденсации пара увеличиваются в размерах. Этот процесс продолжается до тех пор, пока размер капли не станет таким, что скорость ее падения превысит скорость подъема восходящего потока воздуха в облаке. Капли, падающие вниз, встречают на своем пути более мелкие капли, поднимающиеся вверх, сливаются с ними, укрупняются. Процесс продолжается до тех пор, пока капли не выпадут из облака в виде дождя.

Особенно эффективно происходит образование осадков, если вершина облака состоит из кристалликов льда. При достижении критических размеров кристаллики льда начинают падать. Процесс конденсации пара на их поверхности в нижних слоях облака протекает гораздо интенсивнее, чем на поверхности капель. В результате из облака выпадает снег, а в некоторых случаях град.

Облака есть и на всех других планетах с мощными атмосферами. Ими полностью покрыта поверхность Венеры. А поверхности Юпитера и Сатурна и исчисляются от верхнего края облаков, поскольку никакой другой твердой или жидкой поверхности у них нет. Разнообразен химический состав облаков других планет (например, некоторые облака Венеры – это капельки серной кислоты), но механизмы их образования сходны с земными. Только надо иметь в виду, что образование облаков может вызывать не только конденсация капелек и кристаллов, но и химическая реакция. Лабораторный пример такой возможности – образование облачка из кристалликов хлористого аммония над поставленными рядом сосудами с соляной кислотой и нашатырным спиртом (раствором аммиака).

Date: 2016-11-17; view: 1379; Нарушение авторских прав; Помощь в написании работы --> СЮДА...



mydocx.ru - 2015-2024 year. (0.005 sec.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав - Пожаловаться на публикацию