Молекулфрно кинетическая теория

 

Закон установлен экспериментально до создания молекулярно-кинетической теории газов английским физиком Робертом Бойлем в 1662 году и французским аббатом Эдмоном Мариоттом, который описал независимо от Бойля аналогичные опыты в 1676 году.

 
Графически зависимость P от V при  постоянной температуре показывают с помощью изотермы 
 
 
 
 
 
 
Газовые законы активно работают не только в технике, но и в живой природе, широко применяются в медицине.

Закон Бойля-Мариотта начинает «работать на человека» (как, впрочем, и на любое млекопитающее) с момента  его рождения, с первого самостоятельного вздоха.

При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (pV=const), и в следствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Другими словами воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выравняются.

Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он переходит наружу.

 
 

2. Изобарный процесс – процесс, происходящий при постоянном давлении (барос – греч. тяжесть) 
   Достаточно нагревать газ в сосуде с подвижным поршнем, чтобы внешнее давление было неизменным. 
   

Это закон  Гей-Люссака

Слава тебе, изобарный  процес

В физику нашу ты вовремя влез

Хвала и тебе, о мудрец Гей-Люссак

С законом своим не попал  ты впросак

Графически зависимость V от T при постоянном давлении показывают с помощью изобары

 

 

В области низких температур все  изобары идеального  газа сходятся в точке T = 0. Но это не означает, что объём реального газа в действительности обращается в 0. Все газы при очень низких температурах обращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение Менделеева-Клайперона неприменимо.

 

III. Изохорный процесс – процесс, происходящий при неизменном объёме.  (хорема - греч.объём ) 
Для его реализации достаточно нагревать или охлаждать в герметическом сосуде с неизменным объёмом

Это закон Шарля

 

Графически зависимость  Р от Т при посоянном объёме показывают с помощью изохоры. 
 

 

 

 

В соответствии с этим законом все изохоры начинаются в точке 0. Значит, давление ид. газа при абсолютном нуле равно нулю.

Задачи.

Изотермические процессы

1. При сжатии газа его объём уменьшается с 8 до 5 л, а давление повысилось на 60 кПа. Найти первоначальное давление 
    
    
    
    
   
2. Газ изотермически сжали. При этом его объём уменьшится в 3 раза. Каким стало давление, если начальное давление было равно 1 атм? 
   

 

 

 

Изобарные процессы 
3. Каким объём займёт газ при 77⁰С, если при 27⁰С его объём был 6 л?

 

 

 

 

 

4. При увеличении абсолютной температуры в 1,4 раза объём газа увеличится на 40 см³. Найти первоначальный объём.

 

 

 

 

5. Нагревание газа  происходит при изобарном процессе. Температура меняется от 20⁰С до 100⁰С. Начальный объём газа 2 л. Каков конечный объём газа?

 

 

 

 

 

Изохорный процесс

6. При температуре 27⁰С давление газа в закрытом сосуде было 75 кПа. Каким будет давление при температуре -13⁰С?

 

 

7. В 10 литровом баллоне происходит нагревание воздуха от температуры 10⁰С до 40⁰С. Каким будет после нагревания давление газа, если его начальное давление было 20 атм?

 

 

 

 

8. В нерабочем состоянии при 7⁰С давление газа в колбе эл. лампы накаливания равно 80 кПа. Найти температуру газа в горячей лампе, если давление в рабочем режиме возрастает до 100 кПа

 

 

 

9. При какой температуре  находился газ в закрытом сосуде, если при нагревании его на  140 К давление возросло в 1,5 раза?

 

 

 

Взаимные превращения  жидкостей и газов

 

I. Испарение и конденсация

 

Испарение – переход молекул из жидкости в пар.

Так как при испарении  жидкость покидают самые быстрые  молекулы, то её температура уменьшается.

Скорость испарения зависит от рода жидкости, от температуры, от площади поверхности жидкости, от ветра.

Процесс, обратный испарению  – конденсация. Это переход молекул из пара в жидкость.

Примеры.

1. Спускаемый  аппарат косм. корабля покрывают специальной быстро испаряющемся вещ-вом, чтобы устранить перегрев от трения при прохождении через атмосферу Земли

2. испарение  – основная составляющая круговорота  воды на Земном шаре

3. В технике  процесс испарения лежит в  основе работы двигателя холод. установок, в основе всех процессов сушки материалов

 

Вопрос. Почему купающемуся не становится холодно, когда он выходит из реки во время тёплого летнего дождя?

Во время дождя вода не испаряется с кожи человека и  не  охлаждает его

 

II. Насыщенный пар

 

Если сосуд с жидкостью  накрыть крышкой, то будет происходить  процесс и испарения и конденсации. Через некоторое время число  молекул, вылетающих из жидкости, будет  равно числу молекул, возвращающихся в неё за некоторое время. Такое  состояние называется динамическим равновесием. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называетя насыщенным. Туда больше не могут испаряться молекулы.

 

III. Кипение – парообразование жидкости по всему объёму.

 

Объяснение  процесса кипения:

В жидкости всегда присутсвуют растворённые газы, которые выделяются на стенках сосуда и на взвешенных в жидкости пылинках. В пузырьках газа жидкости пар является насыщенным. С увеличением температуры давление паров растёт, пузырьки увеличиваются в размерах и под действием выталкивающей силы всплывают. И так как температура верхних слоёв более низкая,давление стремительно падает и пузырьки захлопываюся. Множество таких микровзрывов создают шум. Когда жидкость прогреется, пузырьки перестают захлопываться. Перед закипанием чайник перестаёт шуметь. Кипение начинается при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках сравняется с внешним давлением.

 

Чем больше внешнее  давление, тем выше температура кипения.

И наоборот, при понижении давления темп-ра кипения уменьшается

Пример.

1. Давление внутри скороварки 2 атм, темп-ра кипения там 120-130⁰, пища готовится быстрее

2. При поднятии в горы на  каждый километр темп-ра кипения  воды падает на 3⁰

На высоте 7000 м давлении 300 мм.рт.ст, темп-ра кипения воды там 70⁰. У альпинистов возникают проблемы с варкой яиц, так как белок при темп-ре ниже 100⁰С не сворачивается.

 

Температура кипения жидкости также  зависит от давления насыщенного  пара. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже темп-ра кипения жидкости.

 

Пример. 1. Ртуть кипит при 357⁰С при нормальном давлении

2. Различия в температурах  кипения разных веществ применяются  в процессе перегонки нефти  При нагревании нефти до 670 ⁰С та её часть, мазут, которая имеет большею темп-ру кипения, остаётся в ней, а те части, у которых темп-ра кипения ниже 360⁰, испаряются. Из образовавшегося пара получают бензин.

 

Итак, температура кипения  жидкости зависит от:

1. От давления на  поверхности жидкости

2. От давления насыщенного  пара внутри жидкости

 

Вопрос.  Хозяйки, желая ускорить варку, усиливают огонь под кастрюлей, в которой кипит вода. Верен ли этот приём?

Ответ: если температура воды уже достигла 100 градусов, она не будет повышаться, пока не кончится кипение и вода не превратиться в  пар. Усиливать огонь совершенно бесполезно.

 

IV. Перегретая жидкость

 

Это жидкость, полученная при температуре  выше температуры кипения.

Если жидкость предварительно очистить от газа, в ней будут отсутствовать  центры парообразования – мельчайшие пузырьки воздуха. Перегретая жидкость находится в неустойчивом состоянии. Достаточно добавить в неё мел с большим количеством воздуха в порах, как жидкость начинает бурно закипать. При этом её температура понижается до температуры кипения, так как превращение жидкости в пар требует затраты энергии. 

 

Кипение перегретой воды, 2:18

http://www.youtube.com/watch?v=EISLAT8YMkE

Что такое охлаждающие кувшины?

 

Охлаждающие кувшины

Это сосуды из необожённой  глины и налитая в них вода становится прохладнее, чем окружающие предметы. Они были в большом распостранении у южных народов. Секрет их действия прост: жидкость просачивается сквозь глиняные стенки наружу, там медленно испаряется, отнимая при этом теплоту от сосуда и заключенной в нем жидкости.

Чем знойнее воздух, тем  скорее и обильнее испаряется жидкость, и тем более охлаждается вода внутри кувшина. Зависит охлаждение и от влажности окружающего воздуха: если в нем много влаги, испарение происходит медленно, и вода охлаждается незначительно. Ветер  ускоряет испарение, и тем способствует охлаждению. Повышение температуры в охлаждающих кувшинах не превышает 5 градусов Цельсия. В знойный южный день, когда температура показывает подчас 33 градуса, вода в кувшине имеет температуру теплой ванны. Охлаждение практически безполезное. Зато кувшины хорошо сохраняют холодную воду, для этой цели их преимущественно и употребляли.

 

Скороварка

 

Особое место среди кастрюль занимает скороварка. Она заслуживает  того, чтобы о ней поговорили отдельно, хотя бы потому, что она может  заменить собой все кастрюли. Придумал ее французский физик Дени Папен  аж в 1679 году для обработки сахара. Это был герметично закрытый сосуд, в котором при нагревании поднималось давление, а, следовательно, кипение проходило при более высокой температуре и приготовление пищи шло быстрее. Долгое время скороварка представляла собой кастрюлю с наглухо завинчивающейся крышкой, которая грозила в любой момент взорваться под действием высокого давления. Потом приходилось долго ждать, пока давление спадет и крышку можно будет открыть. У этой модели скороварки не было ни выпускных клапанов, ни предохранителей, ни регуляторов. Зато не было необходимости (да и возможности) вмешиваться в процесс приготовления пищи, и, значит, находиться возле кастрюли и плиты.   
Новый интерес к скороварке возник в двадцатые годы ХХ века. Скороварки стали применять в Германии для быстрого приготовления пищи в ресторанах. А позже американцы наладили серийный выпуск скороварок для дома.  
В современной скороварке на крышке установлены клапаны, регулирующие рабочее давление, и для выпуска пара  по окончании варки. А также запасной клапан и система блокировки и разблокировки крышки. Теперь нет необходимости часами ждать, пока кастрюля остынет, давление пара снизится и ее можно будет открыть.  
Это очень удобно, потому что, чтобы блюдо не переварилось, скороварку необходимо открыть сразу по окончании варки. Ускорить этот процесс можно, если перенести скороварку под проточную холодную воду.   
Устройство скороварки (Pressure Cooker) несложно. В отличии от обыкновенной кастрюли скороварка имеет герметически закрывающуюся крышку, в которой установлены два клапана - рабочий и аварийный ( в современных скороварках аварийных клапанов может быть и больше, хотя в этом нет особых преимуществ по сравнению с классической конструкцией ). Рабочий клапан открывается и выпускает наружу излишек пара при превышении определённого уровня давления внутри скороварки. Аварийный клапан делает то же самое, но с более высоким уровнем давления и должен сработать только тогда, когда рабочий клапан по какой-либо причине не обеспечил сброс излишнего давления ( неисправен или не справляется с нагрузкой ).

 

 

 

 

 

Влажность воздуха

 

I. Воздух – смесь газов и водяного пара. Влажность характеризует содержание водяного пара в атмосфере. Водяной пар в воздухе обычно ненасыщенный. Если бы он был насыщенным, то поверхность Земли была бы покрыта каплями жидкости и никогда бы не высыхала.

Чем дальше пары в воздухе  находятся от насыщения, тем воздух суше. Поэтому, сравнив давление водяного пара в воздухе от давления насыщенного водяного пара при той же температуре, можно судить о влажности воздуха.

 

Характеристики  влажности:

 

1. Парциальное давление – давление водяного пара в атмсосфере, если бы остальные газы отсутствовали

 

2. Абсолютная влажность – плотность водяного пара

Но практически нам  это ни о чём не говорит. Интенсивность  испарения зависит от температуры, а абсолютная влажность ничего не говорит об этой характеристике воздуха.

 

3. Относительная влажность

Показывает, как далёк  пар в воздухе к состоянию  насыщения.

Это процентное отношение  давления водяного пара в воздухе  к давлению насыщенного пара при  данной температуре 

Относительная влажность 100% означает состояние полного  насыщения воздуха или полностью заполненного данного воздушного пространства водяным паром. Чем выше температура, тем больше водяных паров содержит воздух.

 

Пример. В холодных помещениях часто бывает сыро, так как при низких температурах относительная влажность велика. Стены, пол покрываются влагой.

 

Вопрос. Как меняется абсолютная и относительная влажность воздуха при его нагревании?

Абсолютная не меняется, относительная  уменьшается

 

 

 

 

 

II. Практическое измерение влажности

 

Влажность определяют с  помощью психрометра (psihria – грч.холод). Он состоит из двух термометров: сухого и влажного. Сухой показывает температуру воздуха, второй окутан

Мокрой тряпочкой. Чем  больше влажнось воздуха, тем меньше происходит испарение и тем выше показания влажного термометра.

По разности показаний  сухого и влажного термометров с  помощью психрометрической таблицы  определяют относительную влажность. При относительной влажности 100% вода ввобще не будет испаряться и  показания обоих термометров  будут одинаковыми

 

III. Значение влажности

 

http://video.yandex.ru/users/sales-chip-dip-ru/view/921# - 01:57, значение влажности

https://www.mindmeister.com/ru/111189331/_ - ментальная карта, применение влажности

 

1. Для самочуствия  человека.

От влажности зависит  интенсивность исарения с кожи человека. Для него наиболее благориятна влажность 40-60%. Относительная влажность в  пустыне и в комнате спечным отоплением зимой равна 20-30%. В дождливый день влажность приближается к 100%.