Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы.

Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.
Для произвольной массы газа состояние газа описывается уравнением Менделеева—Клапейрона: pV = mRT/M, где р — давление, V — объем, m — масса, М — молярная масса, R — универсальная газовая постоянная.

Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газов, было получено французским физиком Бенуа Клапейроном (1799—1864). В форме (26.7) его впервые применил великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907), поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Менделеева — Клапейрона.

Уравнение Менделеева—Клапейрона показывает, что возможно одновременное изменение трех параметров, характеризующих состояние идеального газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный и изобарный.
Изопроцессом называют процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре — температуре, давлении или объеме. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.
Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Т = const. Он описывается законом Бойля—Мариотта: pV = const. Для данной массы газа произведение давления на объем есть величина постоянная.
Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Для него справедлив закон Шарля: при V = const, p/T = const.. Для данной массы газа отношения давления к температуре есть величина постоянная.
Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение этого процесса имеет вид V/T = const при р = const и называется законом Гей-Люссака: для данной массы газа отношения объема к температуре есть величина постоянная.
Все процессы можно изобразить графически (рис. 15)

 

2. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — постоянная Планка, равная , v — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым. Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.
1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 51.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (А_вых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.



Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.
Билет 17.

1. Модель строения жидкостей. Насыщенные и ненасыщенные пары. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение. Влажность воздуха и её измерение. Точка росы.

Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Свойства жидкостей. Жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.

Строение жидкостей. Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молеку­лами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. вре­мя колебания около одного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10" ¹¹ с. Время одного колебания значительно меньше — 10~^{, 2}-10~¹³ с.

Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жид­кости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объ­ясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой.

Насыщенный и ненасыщенный пар

Если сжимать газ в сосуде при постоянной температуре, то при некотором его объеме в сосуде появится жидкость и перестанет меняться давление, так как концентрация молекул над жидкостью станет постоянной за счет наступления динамического равновесия между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Под динамическим равновесием жидкости и пара понимают такое их состояние, когда число молекул, покидающих поверхность жидкости, равно в среднем числу молекул пара, возвращающихся за то же время в жидкость. Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры.

Давление насыщенного пара зависит от температуры, но не зависит от объема.

Если в замкнутом сосуде нагревается жидкость, то с ростом температуры в пространстве над жидкостью растет концентрация молекул n и их средняя энергия , поэтому давление растет нелинейно (рис. 3).

Рис. 3

Когда вся жидкость в сосуде превратится в пар, то давление начнет расти прямо пропорционально температуре T, как давление идеального газа

Кипение. Температура кипения.

Кипение – это процесс интенсивного парообразования, происходящий как со свободной поверхности жидкости, так и по всему объему жидкости внутрь образующихся в ней пузырьков пара.

Кипение начинается при температуре, когда давление насыщенного пара внутри мельчайших пузырьков воздуха, которые всегда имеются внутри жидкости, начинает превышать давление вокруг этих пузырьков. Оно равно сумме атмосферного и гидростатического давлений. При этом пузырьки начинают расти. Из-за этого растет и архимедова (выталкивающая) сила, которая поднимает их вверх, где они лопаются, выбрасывая пар. При заданном давлении над кипящей жидкостью температура системы «жидкость–пар» постоянна для данного вещества и называется температурой кипения. Пока вся жидкость в сосуде не выкипит, температура жидкости постоянна.

Температура кипения повышается с ростом внешнего давления по закону изменения давления насыщенного пара от температуры.

Влажность воздуха - физическая величина, характеризующая содержание в воздухе водяного пара. Относительная влажность воздуха – это отношение парциального давления (или концентрации молекул) водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению (концентрации) насыщенного пара при той же температуре. Выражается:

Относительная влажность воздуха показывает, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. Именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Для человека наиболее благоприятна относительная влажность, равная 40–60%.

Измерение влажности

Для измерения влажности используют зависимость различных параметров веществ от влажности воздуха. Такими параметрами могут служить, например, скорость испарения воды (психрометр, рис. 5), температура выпадения росы при локальном охлаждении воздуха (гигрометр, рис. 6), удлинение волоса при заданной нагрузке (волосяной гигрометр), сопротивление полупроводников (электронный измеритель влажности).

Рис. 5 Рис. 6

С помощью гигрометра измеряют точку росы – температуру, до которой необходимо охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар, остывая, стал насыщенным. Начиная с этой температуры, охлаждение воздуха сопровождается появлением капелек росы на зеркальном сосуде, температуру которого понижают, прокачивая грушей воздух через легкокипящую жидкость (рис. 6).

С помощью психрометра фиксируют разницу температур двух термометров – сухого и влажного (рис. 5). По этой разнице и температуре сухого термометра устанавливают влажность воздуха по психрометрической таблице.

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. A.16.15.5. Экран состояния модулей удаленного ввода-вывода (RIOM)
2. I. Рабочее тело и параметры его состояния. Основные законы идеального газа.
3. VI. ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ АРЕРИАЛЬНОГО И ВЕНОЗНОГО РУСЛА
4. Активация вашего идеального генетического кода для обретения абсолютного здоровья и благополучия
5. Алгоритмы выполнения практических навыков, необходимых для оказания первой врачебной помощи при неотложных состояниях и заболеваниях
6. Анализ напряженно-деформированного состояния при вытяжке.
7. Анализ состояния и использования основных средств.
8. Анализ состояния и использования трудовых и материальных ресурсов предприятия
9. Анализ состояния и развития технического уровня
10. Анализ состояния конкуренции в РФ
11. Анализ состояния нормирования труда
12. Анализ состояния оборудования, эффективности работы элементов технологической схемы