Билет №8

Уравнение состояния идеального газа. (Уравнение Менделеева--Клапейрона.) Изопропессы

План ответа

1. Уравнение состояния. 2. Уравнение Менде-леева--Клапейрона. 3. Процессы в газах. 4. Изопроцессы. 5. Графики изопроцессов.

Состояние данной массы полностью определе-но, если известны давление, температура и объем га-за. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.

Для произвольной массы газа единичное со-стояние газа описывается уравнением Менделеева-- Клапейрона: pV = mRT/M, где р -- давление, V --

объем, т -- масса, М -- молярная масса, R -- уни-версальная газовая постоянная. Физический смысл универсальной газовой постоянной в том, что она по-казывает, какую работу совершает один моль иде-ального газа при изобарном расширении при нагре-вании на 1 К (R = 8, 31 Дж/моль * К).

Уравнение Менделеева--Клапейрона показы-вает, что возможно одновременно изменение пяти параметров, характеризующих состояние идеального

газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рас-сматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра из пяти. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изо-термический, изохорический и изобарный.

Изопроцессом называют процесс, происходя-щий с данной массой газа при одном постоянном па-раметре -- температуре, давлении или объеме. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.

Изотермическим называют процесс, проте-кающий при постоянной температуре. Т = const. Он описывается законом Бойля-Мариотта. pV = const.

Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Для него справедлив закон Шарля. V = const. p/T = const.

Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение этого процесса имеет вид V/T == const при р = const и называется за-коном Гей-Люссака. Все процессы можно изобразить графически (рис. 11).

Реальные газы удовлетворяют уравнению со-стояния идеального газа при не слишком высоких давлениях (пока собственный объем молекул прене-брежительно мал по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ) и при не слишком низких температурах (пока потенциальной энергией межмо-лекулярного взаимодействия можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией теплового дви-жения молекул), т. е. для реального газа это уравнение и его следствия являются хорошим приближением.

Билет №9

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха

План ответа

1. Основные понятия. 2. Водяной пар в атмо-сфере. 3. Абсолютная и относительная влажность. 4. Точка росы. 5. Приборы для измерения влажности.

Испарение -- парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинети-ческой энергии теплового движения молекул приво-дит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости

движения его молекул, следовательно, испарение со-провождается охлаждением жидкости. Скорость ис-парения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жид-кости. Конденсация -- процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещест-ва в газообразном состоянии достигнет такого значе-ния, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, поки-дающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испа-рения и конденсации вещества. Вещество в газооб-разном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, по-кинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, на-ходящийся при давлении ниже насыщенного, назы-вают ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с по-верхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосфер-ное давление представляет собой сумму давления су-хого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отли-чие от ненасыщенного не подчиняется законам иде-ального газа. Так, давление насыщенного пара не за-висит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой форму-лой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от темпера-туры составлены таблицы, по которым можно опре-делить его давление при различных температурах.

Давление водяного пара, находящегося в воз-духе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. По-скольку давление пара пропорционально концентра-ции молекул, можно определить абсолютную влаж-ность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в ки-лограммах на метр кубический (р).

Большинство явлений, наблюдаемых в приро-де, например быстрота испарения, высыхание раз-личных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, на-сколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокра-щается, что ведет к перегреванию организма. Наибо-лее благоприятной для человека в средних климати-ческих широтах является относительная влажность 40--60%. Относительной влажностью называют от-ношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. = р/р0 * 100%, или (р = р/р0 * 100%.

Относительная влажность колеблется в широ-ких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры, и следовательно, с ростом давления насыщения относительная влаж-ность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же ко-личество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыще-ния. Точкой росы называют температуру, при кото-рой пар, находящийся в воздухе, становится насы-щенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начи-нается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.