Меню Рубрики

Явление внутреннего трения в идеальном газе с точки зрения мкт

Идеальная жидкость, т.е. жидкость, движущаяся без трения, является абстрактным понятием. Всем реальным жидкостям и газам в большей или меньшей степени присуща вязкость или внутреннее трение. Вязкость (внутреннее трение) наряду с диффузией и теплопроводностью относится к явлениям переноса и наблюдается только в движущихся жидкостях и газах. Вязкость проявляется в том, что возникающее в жидкости или газе движение после прекращения действия причин, его вызвавших, постепенно прекращается.

Вязкость (внутреннее трение) — одно из явлений переноса, свойство текучих тел (жидкостей и газов) оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой. В результате происходит рассеяние в виде тепла энергии, затрачиваемой на это перемещение.

Механизм внутреннего трения в жидкостях и газах заключается в том, что хаотически движущиеся молекулы переносят импульс из одного слоя в другой, что приводит к выравниванию скоростей — это описывается введением силы трения. Вязкость твёрдых тел обладает рядом специфических особенностей и рассматривается обычно отдельно.

Молекулярно-кинетическая теория объясняет вязкость движением и взаимодействием молекул.

В жидкостях, где расстояния между молекулами много меньше, чем в газах, вязкость обусловлена в первую очередь межмолекулярным взаимодействием, ограничивающим подвижность молекул. В жидкости молекула может проникнуть в соседний слой лишь при образовании в нём полости, достаточной для перескакивания туда молекулы. На образование полости (на «рыхление» жидкости) расходуется так называемая энергия активации вязкого течения. Энергия активации уменьшается с ростом температуры и понижением давления. В этом состоит одна из причин резкого снижения вязкости жидкостей с повышением температуры и роста её при высоких давлениях. При повышении давления до нескольких тыс. атмосфер вязкость увеличивается в десятки и сотни раз. Строгая теория вязкости жидкостей, в связи с недостаточной разработанностью теории жидкого состояния, ещё не создана.

Вязкость отдельных классов жидкостей и растворов зависит от температуры, давления и химического состава.

Вязкость жидкостей зависит от химической структуры их молекул. В рядах сходных химических соединений (насыщенные углеводороды, спирты, органические кислоты и т.д.) Вязкость изменяется закономерно — возрастает с возрастанием молекулярной массы. Высокая вязкость смазочных масел объясняется наличием в их молекулах циклов. Две жидкости различной вязкости, которые не реагируют друг с другом при смешивании, обладают в смеси средним значением вязкости. Если же при смешивании образуется химическое соединение, то вязкость смеси может быть в десятки раз больше, чем вязкость исходных жидкостей.

Возникновение в жидкостях (дисперсных системах или растворах полимеров) пространственных структур, образуемых сцеплением частиц или макромолекул, вызывает резкое повышение вязкости. При течении «структурированной» жидкости работа внешней силы затрачивается не только на преодоление вязкости, но и на разрушение структуры.

В газах расстояния между молекулами существенно больше радиуса действия молекулярных сил, поэтому Вязкость газов определяется главным образом молекулярным движением. Между движущимися относительно друг друга слоями газа происходит постоянный обмен молекулами, обусловленный их непрерывным хаотическим (тепловым) движением. Переход молекул из одного слоя в соседний, движущийся с иной скоростью, приводит к переносу от слоя к слою определённого импульса. В результате медленные слои ускоряются, а более быстрые замедляются. Работа внешней силы F, уравновешивающей вязкое сопротивление и поддерживающей установившееся течение, полностью переходит в теплоту. Вязкость газа не зависит от его плотности (давления), так как при сжатии газа общее количество молекул, переходящих из слоя в слой, увеличивается, но зато каждая молекула менее глубоко проникает в соседний слой и переносит меньший импульс (закон Максвелла).

Вязкость — важная физико-химическая характеристика веществ. Значение вязкости приходится учитывать при перекачивании жидкостей и газов по трубам (нефтепроводы, газопроводы). Вязкость расплавленных шлаков весьма существенна в доменном и мартеновском процессах. Вязкость расплавленного стекла определяет процесс его выработки. По вязкости во многих случаях судят о готовности или качестве продуктов или полупродуктов производства, поскольку вязкость тесно связана со структурой вещества и отражает те физико-химические изменения материала, которые происходят во время технологических процессов. Вязкость масел имеет большое значение для расчёта смазки машин и механизмов и т.д.

Прибор для измерения вязкости называется вискозиметром.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Явление — внутреннее трение

Явление внутреннего трения ( вязкости) связано с возникновением сил трения между двумя слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Причиной внутреннего трения является перенос молекулами количества движения из одного слоя газа в другой. [1]

Явление внутреннего трения в газах и жидкостях состоит в возникновении сил трения между двумя смежными слоями среды, движущимися параллельно относительно друг друга. [2]

Явление внутреннего трения описывается следующим образом. [3]

Явление внутреннего трения ( вязкости) связано с возникновени-нием сил трения между слоями газа или жидкости, перемещающимися параллельно друг другу с различными по величине скоростями. Со стороны слоя, движущегося быстрее, на более медленно движущийся слой действует ускоряющая сила. Наоборот, медленно перемещающийся слой тормозит более быстро движущиеся слои газа. Силы трения, которые при этом возникают, направлены по касательной к поверхности соприкосновения слоев. С точки зрения кинетической теории газов, причиной внутреннего трения является наложение упорядоченного движения слоев газа с различными скоростями v и хаотического теплового движения молекул, интенсивность которого зависит от температуры. Благодаря тепловому движению молекулы переходят из слоя В ( рис. 11.12), движущегося со скоростью v2, в слой А движущийся со скоростью YI. [4]

Явление внутреннего трения ( вязкости) наблюдается в телах при всех агрегатных состояниях, но большое практическое значение это явление имеет для жидкостей и газов. [5]

Явление внутреннего трения заключается во взаимодействии слоев текущего газа. [6]

Для явления внутреннего трения справедлив закон И. [7]

Благодаря явлению внутреннего трения на слой воздуха, примыкающий к пластинке ( адсорбированный пластинкой), действует со стороны движущихся слоев сила трения. [8]

Под явлением внутреннего трения , или вязкости, подразумевается возникновение сил трения между слоями исследуемого вещества, движущимися друг относительно друга с разными по величине скоростями. [9]

В явлении внутреннего трения молекулы , переходя из одного слоя движущегося газа в другой, не сразу приобретают в среднем скорость этого слоя. [10]

На явлении внутреннего трения газов , при котором движение одного элементарного слоя газа передается другому, и явлении внешнего трения, благодаря которому движущаяся твердая стенка увлекает непосредственно прилегающий к ней слой газа, основано устройство так называемого молекулярного насоса. [12]

При рассмотрении явления внутреннего трения у золей было обращено внимание на структурную вязкость, которая отвечает, как показали работы Шведова упругости, характерного для твердого тела. [14]

С точки зрения кинетической теории явление внутреннего трения заключается в переносе молекулами количества движения от слоев, движущихся с большей-скоростью, к слоям, движущимся с меньшей скоростью. Это приращение количества движения и определяет силу, действующую между слоями. [15]

4. Контрольные вопросы

Расскажите о явлениях переноса в газах.

Объясните явление внутреннего трения в идеальном газе с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Напишите и объясните формулу Ньютона для внутреннего трения.

Каков физический смысл коэффициента динамической вязкости?

Запишите формулу для коэффициента динамической вязкости идеального газа.

Как определяется средняя скорость теплового движения молекул идеального газа? От каких физических величин она зависит?

Опишите капиллярный метод определения коэффициента динамической вязкости газов?

Выведите формулу Пуазейля. При каких условиях ее можно применять?

Как изменяется скорость движения газа вдоль сечения капилляра от центра к стенкам при ламинарном режиме течения?

10. Оцените среднюю длину свободного пробега и эффективный диаметр на примере молекулы газа на примере явления внутреннего трения в газах?

11. Почему при строительстве магистральных газопроводов для увеличения количества прокачиваемого газа используют трубы большого диаметра, а не увеличивают давление газа при его транспортировании?

Лабораторная работа № 8 определение коэффициента внутреннего трения жидкости

Цель работы: экспериментальное определение коэффициента внутреннего трения (динамической вязкости) жидкости по методу Стокса.

Оборудование: цилиндрические сосуды с подсолнечным маслом и глицерином, свинцовые шарики, пластмассовые шарики, штангенциркуль, электронные весы, миллиметровая линейка, секундомер.

1. Краткая теория и методика выполнения работы

В жидкостях, как и в газах, наблюдаются явления переноса. Но механизм этих явлений несколько сложнее, чем у газов. Явление переноса импульса обусловлено тепловым движением молекул и в газах определяется длиной свободного пробега молекул. Для газов в выражения для всех коэффициентов переноса входит в качестве множителя средняя длина свободного пробега. В жидкостях же, как и в очень плотных газах, понятие длины свободного пробега теряет смысл. Среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул. Вблизи каждой молекулы ее соседи расположены более или менее закономерно; говорят, что имеет место «ближний порядок», но вдали этот порядок нарушается. Кроме того, молекула может время от времени в результате взаимодействий с соседними молекулами покидать положение равновесия и скачком переходить в другое равновесное положение. В положении равновесия молекула совершает колебания в пределах, ограниченных межмолекулярным расстоянием, пока снова не получит необходимую для скачка энергию.

В случае, когда равновесное состояние системы нарушается тем, что один слой жидкости движется относительного другого, возникает явление переноса, называемое вязкостью.

Вязкость жидкости – свойство жидкости оказывать сопротивление перемещению одной ее части относительно другой. При ламинарном (не вихревом) течении жидкости отдельные ее слои воздействуют друг на друга так, что медленно текущий слой будет ускоряться соседним более быстрым слоем, а быстрый слой, наоборот, замедляться. Это явление еще называют внутренним трением (рис. 8.1).

Сила внутреннего трения между двумя слоями жидкости (газа) подчиняется закону Ньютона и направлена по касательной к поверхности слоев:

,

здесь – коэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость,– проекция градиента скорости, показывающая изменение скорости в направлении оси, перпендикулярном направлению движения слоев,– площадь поверхности слоя, на которую действует сила.

Механизм возникновения этих сил объясняется, как молекулярными (ван-дер-ваальсовскими) силами притяжения, действующими между молекулами, так и переносом импульса от более быстрого слоя к более медленному в результате теплового движения молекул.

Для объяснения вязкости жидкости необходимо рассматривать:

а) «перескоки» молекул в направлении движения слоев, т.е. перпендикулярно градиенту скорости. Этот процесс зависит от конкретных особенностей молекулярных сил. Молекуле приходится «вырываться» из своего окружения, чтобы передвинуться в направлении действия силы. Для этого требуется дополнительная энергия, которую молекула получает, взаимодействуя с молекулами более быстрого слоя;

б) перенос импульса от более быстрого слоя к более медленному, суть которого заключается в том, что молекулы более быстрого слоя, перескакивая в соседний более медленный слой, будут отдавать молекулам этого слоя избыточный импульс своего направленного движения. Молекулы медленного слоя, перескакивая в более быстрый слой, будут забирать часть импульса направленного движения этого слоя, и тормозить его. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения молекул резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, увеличивается расстояние между ними, что, в свою очередь, является причиной уменьшения вязкости жидкости.

Динамическая вязкость достаточно хорошо описывается полуэмпирической формулой Андраде:

,

где – медленно меняющаяся при изменении температуры функция от, а– энергия активации вязкого течения.и– определяются свойствами конкретной жидкости (у глицерина). Наиболее существенным следствием этой формулы является характер зависимости динамической вязкости жидкостей от температуры: при повышении температуры их динамическая вязкость сильно уменьшается.

Для органических веществ вязкость растет с возрастанием относительной молекулярной массы, с введением в молекулу полярных групп и при наличии в молекуле циклов, чем и объясняется высокая вязкость смазочных масел, содержащих нафтеновые углеводороды. Увеличение вязкости происходит потому, что при течении этих жидкостей работа внешней силы затрачивается не только на преодоление истинной, ньютоновской вязкости, но и на разрушение структуры жидкости.

При движении твердого тела в жидкости ее «прилипшие» к телу молекулы за счет молекулярных сил притяжения, будут увлекать за собой соседние молекулы, а те, в свою очередь, тормозить тело. Стокс установил, что в случае ламинарного движения тела шарообразной формы сила сопротивления имеет вид:

, (8.1)

где – коэффициент вязкости,– радиус шара,– его скорость.

Для опытного определения коэффициента вязкости по методу Стокса берется высокий цилиндрический сосуд с исследуемой жидкостью. В него опускаются шарики. На шарик, падающий в жидкости, действуют три силы (рис. 8.2). Это сила тяжести:

(8.2)

(– объем шарика;– плотность материала, из которого изготовлен шарик); выталкивающая (архимедова) сила:

(8.3)

(– плотность жидкости) и сила вязкого сопротивления (сила Стокса, см. (8.1)).

Читайте также:  Стоимость очков для зрения в тюмени

Так как сила тяжестии сила Архимедапостоянны, а сила, согласно (8.1), зависит от скорости движения шарика, то в некоторый момент времени эти силы уравновесят друг друга (до попадания шарика в жидкость его движение ускоренное, после начала движения в жидкости оно становится замедленным, и будет таковым до достижения шариком состояния равновесия), и дальнейшее движение шарика в жидкости будет равномерным со скоростью, которую можно определить по временипрохождения шариком расстояния.

Уравнение движения шарика:

. (8.4)

В случае проекции сил на вертикальную ось :

Подставим выражения сил:

. (8.5)

Из (8.5) выражаем коэффициент вязкости:

, (8.6)

–диаметр шарика. При выполнении работы для расчетов следует брать средний диаметр шариков, так как используется несколько шариков.

Формула (8.6) справедлива только для ламинарного обтекания жидкостью шарика.

Внутреннее трение(вязкость) как явление переноса.

Механизм возникновения внутреннего трения меж­ду параллельными слоями газа (жидкости), движущимися с различными скоростями, заключается в том, что из-за хаотического теплового движения происходит обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, движущегося быстрее, уменьшается, движущегося медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, движущегося быстрее, и ускорению слоя, движущегося медленнее.
Согласно формуле (31.1), сила внутреннего трения между двумя слоями газа (жидкости) подчиняется закону Ньютона:
(48.5)
где h — динамическая вязкость (вязкость), dv/dx — градиент скорости, показывающий быстроту изменения скорости в направлении х,перпендикулярном направлению дви­жения слоев, S — площадь, на которую действует сила F.
Взаимодействие двух слоев согласно второму закону Ньютона можно рассматри­вать как процесс, при котором от одного слоя к другому в единицу времени передается импульс, по модулю равный действующей силе. Тогда выражение (48.5) можно пред­ставить в виде
(48.6)
где jp —плотность потока импульса — величина, определяемая полным импульсом, переносимым в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси х, градиент скорости. Знак минус указывает, что импульс переносится в направлении убывания скорости (поэтому знаки и противоположны).
Динамическая вязкость h численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице; она вычисляется по формуле
(48.7)
Из сопоставления формул (48.1), (48.3) и (48.6), описывающих явления переноса, следует, что закономерности всех явлений переноса сходны между собой. Эти законы были установлены задолго до того, как они были обоснованы и выведены из молекулярно-кинетической теории, позволившей установить, что внешнее сходство их математи­ческих выражений обусловлено общностью лежащего в основе явлений теплопровод­ности, диффузии и внутреннего трения молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения и столкновений друг с другом.
Рассмотренные законы Фурье, Фика и Ньютона не вскрывают молекулярно-кинетического смысла коэффициентов l, D иh. Выражения для коэффициентов переноса выводятся из кинетической теории. Они записаны без вывода, так как строгое рассмот­рение явлений переноса довольно громоздко, а качественное — не имеет смысла. Формулы (48.2), (48.4) и (48.7) связывают коэффициенты переноса и характеристики теплового движения молекул. Из этих формул вытекают простые зависимости между l, D иh:

Используя эти формулы, можно по найденным из опыта одним величинам определить другие.

Вязкость — сопротивление, оказываемое телом движению отдельной его части без нарушения связи целого. Такое движение составляет характеристику жидкостей, как «капельных», так и «упругих», т. е. газов.
Внутреннее трение жидкостей возникает при движении жидкости из-за переноса импульса в направлении, перпендикулярном к направлению движения. Перенос импульса из одного слоя в другой осуществляется при скачках молекул, о которых говорилось выше.
Очевидно, что жидкость будет тем менее вязкой, чем меньше время t между скачками молекул, и значит, чем чаще происходят скачки.

5.Течение вязкой жидкости по трубам. Метод Пуазейля определения коэффициента вязкости.

Тече́ние Пуазёйля — ламинарное течение жидкости через каналы в виде прямого кругового цилиндра или слоя между параллельными плоскостями. Течение Пуазёйля — одно из самых простых точных решений уравнений Навье — Стокса. Описывается законом Пуазёйля (Хагена — Пуазёйля).

Закон Пуазёйля (иногда закон Хагена — Пуазёйля) — это физический закон так называемого течения Пуазёйля, то есть установившегося течения вязкой несжимаемой жидкости в тонкой цилиндрической трубке. Закон установлен эмпирически в1839 году Г. Хагеном, а в 1840—1841 годы — независимо Ж. Л. Пуазёйлем. Теоретически объяснён Дж. Г. Стоксом в 1845 году.

При установившемся ламинарном движении вязкой несжимаемой жидкости сквозь цилиндрическую трубу круглого сечения секундный объёмный расход прямо пропорционален перепаду давления на единицу длины трубы и четвертой степени радиуса и обратно пропорционален коэффициенту вязкости жидкости.

· — перепад давления на концах капилляра, Па;

· Q — секундный объёмный расход жидкости, м³/с;

· R — радиус капилляра, м;

· d — диаметр капилляра, м;

· — коэффициент динамической вязкости, Па·с;

· l — длина трубы, м.

Формула используется для определения вязкости жидкостей. Другим способом определения вязкости жидкости является метод, использующий закон Стокса.

Пологая течение жидкости ламинарным, найдём закон изменения скорости v с расстоянием r от оси трубы, т.е. v(r) -? Выделим воображаемый цилиндрический объём жидкости радиуса r и длинны l. Поскольку скорости всех частиц жидкости являются постоянными v = const, сумма внешних сил, приложенных к любому объёму жидкости, равна нулю. На основание цилиндра действуют силы давления, сумма которых равна:

.

На боковую поверхность цилиндра действует сила трения:

.

Поскольку , то

.

Учитывая, что скорость убывает с расстоянием от оси трубы, т.е. ,

из (1) получим: , .

. Так как при r = R скорость v = 0, то

, где R – радиус трубы.

— закон изменения скорости жидкости от расстояния до оси трубы.

Если — скорость на оси трубы, то

Вычислим поток жидкости Q – т. е. объём жидкости, протекающей через поперечное сечение трубы за единицу времени. Для этого сначала определим поток жидкости через кольцо радиуса r и толщиной dr :

-поток жидкости через кольцо dr.

Интегрируя по r, получим поток жидкости через поперечное сечение трубы:

-формула Пуазейля .

Ее можно использовать для определения коэффициента вязкости

6.Движение тел в жидкости и газе. Метод Стокса определения коэффициента вязкости.

Одной из важнейших задач гидро- и аэродинамики является изучение движения твердых тел в газе и жидкости, в частности изучение тех сил, с которыми среда воздействует на движущееся тело. Эта задача стала особенно значимой в связи с бурным развитием авиации и значительным увеличением скорости движения морских судов.

На тело, которое движется в жидкости или газе, действуют две силы (равнодействующую их обозначим R), одна из которых (Rx) направлена в сторону, противоположную движению тела (в сторону потока), — лобовое сопротивление, а вторая (Ry) перпендикулярна этому направлению — подъемная сила (рис. 1).

Если тело обладает осью симметрии, которая совпадает с направлением скорости, то на данное действует только лобовое сопротивление, подъемная же сила в этом случае равна нулю. Доказано, что в идеальной жидкости равномерное движение происходит без лобового сопротивления. Если исследовать движение кругового цилиндра в такой жидкости (рис. 2), то картина линий тока симметрична как относительно прямой, проходящей через точки А и В, так и относительно прямой, проходящей через точки С и D, т. с. результирующая сила давления на поверхность цилиндра будет равна нулю.

Другим образом обстоит дело если происходит движение тела в вязкой жидкости (особенно при увеличении скорости обтекания). Из-за вязкости среды в области движения, прилегающей к поверхности тела, создается пограничный слой частиц, которые движутся с меньшими скоростями. В результате тормозящего действия этого слоя частицы начинают вращаться и движение жидкости в пограничном слое становится вихревым. Если тело не обладает обтекаемой формой (нет плавно утончающейся хвостовой части), то происходит отрыв пограничного слоя жидкости от поверхности тела. При этом за телом возникает течение жидкости (газа), которое направлено противоположно набегающему потоку. Оторвавшийся пограничный слой, следуя за этим течением, образует вихри, вращающиеся в противоположные стороны (рис. 3).

Лобовое сопротивление зависит от формы тела и его положения относительно потока, что учитывается безразмерным коэффициентом сопротивления Cx, который определяется экспериментально:

(1) где ρ — плотность среды; ν — скорость движения тела; S — наибольшее поперечное сечение тела.

Составляющую Rx можно значительно уменьшить, если подобрать тело формы, не способствующей образованию завихрения.

Подъемная сила может быть определена формулой, аналогичной (1):

где Cy — безразмерный коэффициент подъемной силы.

Для крыла самолета требуется значительная подъемная сила при малом лобовом сопротивлении (это условие выполняется при малыхуглах атаки α (угол к потоку); см. рис. 1). Крыло тем лучше удовлетворяет этому условию, чем больше величина К=Cy/Cx называемаякачеством крыла. Большие заслуги в конструировании требуемого профиля крыла и изучении влияния геометрической формы тела на коэффициент подъемной силы принадлежат Н. Е. Жуковскому (1847-1921).

В этом методе шарик падает в исследуемой жидкости.

В установившимся режиме падения шарик будет двигаться с постоянной скоростью. Следовательно, ускорение шарика будет равно нулю и, согласно второму закону Ньютона, сумма действующих на него сил будет равна нулю. На шарик действуют. Сила Архимеда (см. рис. 1.35)

Рис. 1.35. Метод Стокса

где ρж — плотность жидкости, r — радиус шарика. Сила тяжести m·g=(4/3)·π·r 3 ·ρ·g, где ρ — плотность материала шарика. Сила вязкого трения, которая для тел сферической формы определяется формулой Стокса Fтр=6π·η·r·v, где v — скорость шарика в установившемся режиме, η — искомый коэффициент вязкости. На основании второго закона Ньютона запишем:

Отсюда получим искомое выражение для коэффициента вязкости:

Последнее изменение этой страницы: 2016-12-12; Нарушение авторского права страницы

Внутреннее трение в газах

Саратовский государственный технический университет

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СРЕДНЕЙ ДЛИНЫ СВОБОДНОГО ПРОБЕГА МОЛЕКУЛ ВОЗДУХА (метод капель)

Методические указания к выполнению

лабораторной работы по физике для студентов

всех специальностей всех форм обучения

САРАТОВ 2011

Составили – Шумилин А.И.

Рецензент – д.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики СГТУ
Е.Н. Минаев.

Цель работы: Определение средней длины свободного пробега молекул воздуха. Знакомство с явлением внутреннего трения.

Приборы и принадлежности: сосуд с краном и капиллярной трубкой, стаканчик, большой сосуд, технические весы, часы с секундной стрелкой.

Внутреннее трение в газах

Явление внутреннего трения (вязкости) в газах связано с возникновением сил трения между слоями газа, перемещающимся параллельно друг другу с различными по величине скоростями.

Сила внутреннего трения, которую нужно преодолеть, чтобы два слоя скользили один по другому, определяется формулой Ньютона.

где градиент скорости, равный изменению скорости на каждую единицу расстояния в направлении Z , перпендикулярном скорости ;

Sплощадь соприкосновения слоев;

ηкоэффициент внутреннего трения или динамическая вязкость газа.

Причиной возникновения сил трения служит перенос импульса молекулами, пролетающими сквозь плоскость скольжения. Молекулы газа находятся в хаотическом тепловом движении и в то же время имеют направленное движение со скоростью, равной скорости слоя.

Когда молекулы из быстродвижущегося слоя пролетают в слой, обладающий меньшей скоростью, а молекулы медленного слоя – в быстрый, они переносят импульс, связанный с направленным движением. Вследствие этого возникают силы, стремящиеся затормозить движение быстрого слоя и ускорить движение медленного. В этом и состоит проявление внутреннего трения.

Из молекулярно-кинетической теории следует, что динамическая вязкость газа связана с длиной свободного пробега его молекул :

,(1)

где ρплотность газа ;

средняя скорость теплового движения молекул ;

средняя длина свободного пробега.

Длиной свободного пробега называется расстояние, которое молекула проходит между двумя последовательными столкновениями с другими молекулами. Для отдельных молекул длина свободного пробега между двумя данными столкновениями различна, однако, в силу хаоса в движении молекул среднее значение этой величины для данного состояния газа будет постоянным.

Вязкость газов по молекулярно-кинетической теории (мкт)

Рассмотрим два слоя газа, движущиеся с разными скоростями (рис. 1). Если температура газа всюду одинакова, то средняя скорость движения молекул также одинакова, обозначим ее И. По МКТ она зависит от массы молекул и температуры газа:

(6)

Где Т — Масса молекулы, Т — температура газа, K – постоянная Больцмана.

Так как молекула может двигаться по шести независимым направлениям в пространстве, то площадку S За единицу времени пересечет молекул, где N — концентрация молекул. Молекулы сталкиваются в среднем после прохождения пути, равного средней длине свободного пробега λ. Поэтому импульс, связанный с направленным движением слоев со скоростями V1 и V2, будет передаваться слою, находящемуся между ними, если расстояние до него равно средней длине свободного пробега молекул, при этом изменение импульса молекул среднего слоя за время DT

Читайте также:  Оценить доказательства с точки зрения их допустимости

(7)

Так как V(Z) есть непрерывная функция координаты Z, можно считать, что V2=V(Z+λ,), а V1=V(Z-λ). Если размеры сосуда, в котором находится газ, много больше средней длины свободного пробега, то, полагая λ малым изменением аргумента функции V(Z), можно записать следующие приближенные равенства:

.

Если подставить эти выражения в формулу (7) и учесть, что по второму закону Ньютона изменение импульса равно импульсу силы (DР=FDT), то из определения понятия коэффициента внутреннего трения с учетом того, что произведение массы молекулы на их концентрацию есть плотность газа (ρ=Пт), для вязкости получается выражение:

. (8)

Это выражение можно преобразовать. По молекулярно-кинетической теории средняя длина свободного пробега молекул

, (9)

Где D — эффективный диаметр молекулы.

Подставив (8) и (9) в выражение для вязкости, получим

. (10)

Видим, что вязкость зависит от массы молекулы Т, ее диаметра D И от температуры T, а от давления и плотности газа не зависит.

Вязкости некоторых веществ (в МкПа·с)

МКТ, термодинамика (объяснение явлений; интерпретация результатов опытов)

Теория к заданию 11 из ЕГЭ по физике

Молекулярная физика

Молекулярная физика описывает строение вещества с помощью молекулярно-кинетической теории.

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), все тела состоят из отдельных частиц — молекул и атомов, то есть не являются сплошными.

Основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества заключаются в следующем:

  1. вещество состоит из частиц (атомов и молекул);
  2. эти частицы беспорядочно движутся;
  3. частицы взаимодействуют друг с другом.

Атом — это наименьшая часть химического элемента, обладающая его свойствами и способная к самостоятельному существованию.

Каждому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемый химическим символом этого элемента. Например, атом кислорода обозначается символом $О$, водорода — $Н$, гелия — $Не$ и т. д.

Атомы могут существовать в свободном состоянии (в виде отдельных атомов) в газах. В жидкостях и твердых телах они существуют в виде молекул, в которых соединяются с атомами того же элемента или других химических элементов (или, как принято говорить, существуют в связанном состоянии).

Молекула — мельчайшая устойчивая частица вещества, состоящая из атомов одного или нескольких химических элементов, сохраняющая основные химические свойства этого вещества. Атомы можно рассматривать как одноатомные молекулы.

Размеры молекул

Для определения размеров молекул проводились различные опыты. Вот один из них.

В сосуд с водой помещают каплю масла, объем которой определяется заранее. (Объем капли $V$ определяют с помощью мензурки, в которую при помощи пипетки капают несколько десятков капель масла, и измеряют их общий объем. Этот объем делят на количество капель). Масло начинает растекаться по поверхности воды, образуя тонкую пленку. После прекращения растекания пленки определяют ее площадь $S$. Если предположить, что образовалась пленка толщиной в одну молекулу (из-за чего и прекратилось растекание масла), то толщина пленки $h$ будет равна диаметру молекулы. Толщина пленки равна отношению ее объема к площади:

Полученное в этом опыте численное значение толщины составляло $0.00000016$ см, или $1.6·10^$ см. Этим числом выражается примерный размер молекул (размеры атомов составляют около $10^$ см).

Поскольку молекулы очень малы, в каждом физическом теле их содержится огромное количество. Так, в $1см^3$ воздуха содержится около $27·10^$ молекул. Чтобы понять, насколько велико это число, представим себе, что через маленькое отверстие пропускают по миллиону молекул в секунду, тогда указанное количество молекул пройдет через отверстие за $840 000$ лет.

Масса молекул

Масса молекул (за исключением молекул органических веществ, например, белков) очень мала. Так, масса молекулы воды составляет около $2.7·10^$ г. Работать с такими малыми цифрами неудобно, поэтому в физике и химии принято выражать массы атомов и молекул в относительных единицах.

Атомная единица массы

Атомная единица массы (а.е.м.) — единица массы, равная $/$ массы атома изотопа углерода $12^С$:

Чтобы перевести значение массы атомов или молекул, выраженной в $а.е.м.$, т. е. относительную молекулярную (или атомную) массу вещества $М_r$, в единицу массы СИ (кг), пользуются формулой:

где $N_А$ — постоянная Авогадро.

Атомная масса (относительная молекулярная масса)

Относительная молекулярная масса (атомная масса) — относительное значение массы молекулы (атома), выраженное в атомных единицах массы:

где $M_r$ — относительная молекулярная (атомная) масса; $m_0$ — масса молекулы (атома), выраженная в единицах СИ (кг); $m_$ — масса молекулы изотопа углерода $^С$, выраженная в тех же единицах, что и $m_0$.

Атомная масса была взята Д. И. Менделеевым за основную характеристику элемента при открытии им периодической системы элементов. Атомная масса — дробная величина, в отличие от массового числа — количества нуклонов в атоме.

Относительная молекулярная масса вещества складывается из относительных атомных масс (а.м.) входящих в молекулу элементов. Например: $M_r(H_2O)=2·1+16=18; M_r(CO_2)=12+2·16=44$.

Атомные массы всех химических элементов точно измерены.

Моль. Постоянная Авогадро

Моль — количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равна относительной атомной (молекулярной) массе.

Моль — единица количества вещества в СИ (одна из основных единиц СИ).

В $1$ моле содержится столько молекул (атомов или других частиц вещества), сколько атомов содержится в $0.012$ кг нуклида углерода $^С$ с атомной массой $12$.

Из этого определения следует, что в одном моле любого вещества содержится одно и то же число атомов или молекул.

Число это называется постоянной Авогадро и обозначается $N_А$:

Постоянная Авогадро (число Авогадро) — это число атомов (молекул или других структурных элементов вещества), содержащихся в $1$ моле.

Постоянная Авогадро — одна из фундаментальных физических констант. Она входит в некоторые другие постоянные, например, в постоянную Больцмана.

Количество вещества

Количество вещества — это число частиц вещества (атомов, молекул), выраженное в молях. Учитывая определение моля и числа Авогадро, можно сказать, что количество вещества $v$ равно отношению числа молекул $N$ в данном теле к постоянной Авогадро $N_А$, т. е. к числу молекул в $1$ моле вещества:

Молярная масса

Молярной массой вещества $М$ называют массу вещества, взятого в количестве $1$ моль:

где $m_0$ — масса молекулы данного вещества.

Поскольку для любого тела его масса т связана с количеством молекул $N$ в нем соотношением

то из $v=/$, $M=m_N_A$ и $m=m_N$ получим:

Количество вещества равно отношению массы вещества к его молярной массе.

Из $v=/$ и $v=/$ получаем выражение для числа молекул в теле с массой $m$ и молярной массой $М$.

Модели строения газов, жидкостей и твердых тел

Французское слово gaz (газ) произошло от греческого слова «хаос», что означает «полный беспорядок», «неразбериха» (в древнегреческой мифологии хаос — зияющая бездна, наполненная туманом и мраком, якобы существовавшая до сотворения мира).

Термин «газ» был введен в начале XVII в. Я. Б. ван Бельмонтом. Действительно, модель молекулярного хаоса оказалась весьма плодотворной и сохранила свое значение для современных исследований.

Газ — это агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его атомы и молекулы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями. Во время столкновения молекулы резко меняют скорость и направление своего движения. Время столкновения молекул намного меньше промежутка времени между двумя столкновениями.

Объем, занимаемый газом, значительно сильнее зависит от давления и температуры, чем объем жидкостей и твердых тел.

Газ можно сжать так, что его объем уменьшится в несколько раз. Это значит, что расстояние между молекулами $l$ намного больше размеров самих молекул: $l >> d$. На таких расстояниях молекулы очень слабо притягиваются друг к другу. По этой причине газы не имеют собственной формы и постоянного объема. Нельзя заполнить газом, например, половину бутылки или стакана.

В отличие от жидкостей и твердых тел газы не образуют свободной поверхности и заполняют весь доступный им объем.

Газообразное состояние — самое распространенное состояние вещества Вселенной (межзвездное вещество, туманности, звезды, атмосферы планет). По химическим свойствам газы и их смеси очень разнообразны — от малоактивных инертных газов до взрывчатых смесей.

Давление газа. Беспрерывно и хаотически двигаясь, молекулы газа сталкиваются не только друг с другом, но и со стенками сосуда, в котором находится газ. Молекул в газе много, потому и число их ударов очень велико. Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, о поверхность площадью $1см^2$ за $1с$, выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара одной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, оно и составляет давление газа.

Итак, давление газа на стенки сосуда и на помещенное в газ тело вызывается ударами молекул газа.

Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Это агрегатное состояние вещества, в котором молекулы (или атомы) связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранять и форму.

Свойства жидкостей. Жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.

Поверхность жидкости, не соприкасающаяся со стенками сосуда, называется свободной поверхностью. Она образуется в результате действия силы тяжести на молекулы жидкости.

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. Объяснение поведения жидкостей на основе характера молекулярного движения жидкости было дано советским ученым Я. И. Френкелем. Оно заключается в следующем. 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 $10^$ с. Время одного колебания значительно меньше — $10^—10^$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. Внешняя сила не меняет заметным образом число «прыжков» в секунду, она лишь задает их преимущественное направление, чем и объясняется текучесть жидкости и то, что она принимает форму сосуда.

Твердое тело. Кристаллические и аморфные тела

Твердое тело — агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия.

Кристаллические тела. Твердое тело в обычных условиях трудно сжать или растянуть. Для придания твердым телам нужной формы или объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальных станках: токарных, строгальных, шлифовальных.

В отсутствие внешних воздействий твердое тело сохраняет свою форму и объем.

Это объясняется тем, что притяжение между атомами (или молекулами) у них больше, чем у жидкостей (и тем более газов). Оно достаточно, чтобы удержать атомы около положений равновесия.

Молекулы или атомы большинства твердых тел, таких, как лед, соль, алмаз, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, движения эти представляют собой колебания около определенных точек (положений равновесия). Частицы не могут уйти далеко от этих точек, поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем.

Кроме того, в отличие от жидкостей, точки положений равновесия атомов или ионов твердого тела, будучи соединенными, располагаются в вершинах правильной пространственной решетки, которая называется кристаллической.

Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, называются узлами кристаллической решетки.

Монокристалл — твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку (одиночный кристалл).

Анизотропия монокристаллов. Одним из главных свойств монокристаллов, которым они отличаются от жидкостей и газов, является анизотропия их физических свойств. Под анизотропией понимают зависимость физических свойств от направления в кристалле. Анизотропными являются механические свойства (например, известно, что слюду легко расслоить в одном направлении и очень трудно — в перпендикулярном), электрические свойства (электропроводность многих кристаллов зависит от направления), оптические свойства (явление двойного лучепреломления, и дихроизма — анизотропии поглощения; так, например, монокристалл турмалина «окрашен» в разные цвета — зеленый и бурый, в зависимости от того, с какой стороны на него посмотреть).

Читайте также:  Приложение на телефон с плохим зрением

Поликристалл — твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Поликристаллическими являются большинство твердых тел, с которыми мы имеем дело в быту — соль, сахар, различные металлические изделия. Беспорядочная ориентация сросшихся микрокристалликов, из которых они состоят, приводит к исчезновению анизотропии свойств.

Аморфные тела. Кроме кристаллических, к твердым телам относят также аморфные тела. Аморфный в переводе с греческого означает «бесформенный».

Аморфные тела — это твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве.

В этих телах молекулы (или атомы) колеблются около хаотически расположенных точек и, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время оседлой жизни. Но, в отличие от жидкостей, время это у них очень велико.

К аморфным телам относятся стекло, янтарь, различные другие смолы, пластмассы. Хотя при комнатной температуре эти тела сохраняют свою форму, но при повышении температуры они постепенно размягчаются и начинают течь, как жидкости: у аморфных тел нет определенной температуры плавления.

Этим они отличаются от кристаллических тел, которые при повышении температуры переходят в жидкое состояние не постепенно, а скачком (при вполне определенной температуре — температуре плавления).

Все аморфные тела изотропны, т. е. имеют одинаковые физические свойства по разным направлениям. При ударе они ведут себя как твердые тела — раскалываются, а при очень длительном воздействии — текут.

В настоящее время есть много веществ в аморфном состоянии, полученных искусственным путем, например, аморфные и стеклообразные полупроводники, магнитные материалы и даже металлы.

Изопроцессы в газах

Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления ($р$), объема ($V$), температуры ($Т$).

В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам.

Газовыми законами называются количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.

Закон Бойля-Мариотта

Закон Бойля-Мариотта — один из основных газовых законов, он описывает изотермические процессы в газе.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называется изотермическим.

Для данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.

$pV=const$ при $T=const$

Этот закон был экспериментально открыт английским ученым Р. Бойлем в 1662 г., в 1676 г. его сформулировал также французский ученый Э. Мариотт.

Закон строго выполняется только для идеальных газов. Для реальных газов он выполняется достаточно хорошо при небольших давлениях и высоких температурах. Так, при давлении $100$ атм. и температуре $0°$С отклонение измеренного значения $рV$ от расчетного составляет $7%$. Закон Бойля-Мариотта, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа.

Графики зависимости $p(V)$ при $T=const$ ($p=/$) называются изотермами и представляют собой равносторонние гиперболы (площади $S_1=S_2$). Чем выше температура, тем выше лежит соответствующая ей изотерма.

Закон Шарля

Давление $p$ данной массы газа при постоянном объеме пропорционально температуре.

$p=constT$ при $T=const$

Закон был открыт французским физиком Ж. Шарлем в 1787 году.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называется изохорным (от греч. hora — пространство).

Закон Шарля, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа:

Согласно $

/=const$ при $V=const$, давление газа линейно зависит от температуры при постоянном объеме. Эта зависимость изображается прямой, которая называется изохорой. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его, согласно закону Бойля—Мариотта, падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объему, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объему.

В соответствии с $

/=const$ при $V=const$, все изохоры начинаются в точке $Т=0$ (давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю).

Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема.

Закон Гей-Люссака

При постоянном давлении $р$ объем $V$ идеального газа меняется линейно с температурой.

где $V_0$ — начальный объем, $t$ — разность начальной и конечной температур. Коэффициент теплового расширения идеальных газов $α=(/)K^$ одинаков для всех газов.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называется изобарным (от греч. baros — вес, тяжесть).

Закон открыт французским ученым Ж. Гей-Люссаком в 1802 г. и независимо от него Дж. Дальтоном в 1801 г.

Закон Гей-Люссака, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа. Это становится очевидным, если в $V=V_0(1+αt)$ заменить $t$ абсолютной температурой $T=t+273.15$, а коэффициент расширения $α$ — его численным значением $/$:

Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.

Согласно $/=const$ при $p=const$, объем газа линейно зависит от температуры при постоянном давлении:

Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой.

Различным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре, согласно закону Бойля—Мариотта, уменьшается, поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению $р_2$, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению $р_1$.

В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке $Т=0$, но это не означает, что объем реального газа действительно обращается в нуль. При низких температурах все газы обращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния не применимо.

Насыщенные и ненасыщенные пары

Насыщенный пар

При испарении одновременно с переходом молекул из жидкости в пар происходит и обратный процесс. Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших ее, снова возвращается в жидкость.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то сначала число молекул, вылетевших из жидкости, будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность пара в сосуде будет постепенно увеличиваться. С увеличением плотности пара увеличивается и число молекул, возвращающихся в жидкость. Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул пара, возвращающихся обратно в жидкость. С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным. Для воды при комнатной температуре это число приблизительно равно $10^$ молекул за $1с$ на $1см^2$ площади поверхности. Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.

Это означает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться. Точно так же не изменяется и масса насыщенного пара над этой жидкостью, хотя пар продолжает конденсироваться.

Давление насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара, температура которого поддерживается постоянной, равновесие сначала начнет нарушаться: плотность пара возрастет, и вследствие этого из газа в жидкость будет переходить больше молекул, чем из жидкости в газ; продолжаться это будет до тех пор, пока концентрация пара в новом объеме не станет прежней, соответствующей концентрации насыщенного пара при данной температуре (и равновесие восстановится). Объясняется это тем, что число молекул, покидающих жидкость за единицу времени, зависит только от температуры.

Итак, концентрация молекул насыщенного пара при постоянной температуре не зависит от его объема.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации его молекул, то и давление насыщенного пара не зависит от занимаемого им объема. Давление $р_0$, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называют давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара большая его часть переходит в жидкое состояние. Жидкость занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем пара при неизменной его плотности уменьшается.

Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Для идеального газа справедлива линейная зависимость давления от температуры при постоянном объеме. Применительно к насыщенному пару с давлением $р_0$ эта зависимость выражается равенством:

Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Экспериментально определенная зависимость $Р_0(Т)$ отличается от зависимости $p_0=nkT$ для идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа (участок кривой $АВ$). Это становится особенно очевидным, если провести изохору через точку $А$ (пунктирная прямая). Происходит это потому, что при нагревании жидкости часть ее превращается в пар, и плотность пара растет.

Поэтому, согласно формуле $p_0=nkT$, давление насыщенного пара растет не только в результате повышения температуры жидкости, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Главное различие в поведении идеального газа и насыщенного пара заключается в изменении массы пара при изменении температуры при неизменном объеме (в закрытом сосуде) или при изменении объема при постоянной температуре. С идеальным газом ничего подобного происходить не может (МКТ идеального газа не предусматривает фазового перехода газа в жидкость).

После испарения всей жидкости поведение пара будет соответствовать поведению идеального газа (участок $ВС$ кривой).

Ненасыщенный пар

Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости, может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар, находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным.

Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

Ненасыщенный пар можно простым сжатием превратить в жидкость. Как только это превращение началось, пар, находящийся в равновесии с жидкостью, становится насыщенным.

Влажность воздуха

Влажность воздуха — это содержание в воздухе водяного пара.

Окружающий нас атмосферный воздух вследствие непрерывного испарения воды с поверхности океанов, морей, водоемов, влажной почвы и растений всегда содержит в себе водяные пары. Чем больше водяных паров находится в определенном объеме воздуха, тем ближе пар к состоянию насыщения. С другой стороны, чем выше температура воздуха, тем большее количество водяных паров требуется для его насыщения.

В зависимости от количества водяных паров, находящихся при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

Количественная оценка влажности

Для того чтобы количественно оценить влажность воздуха, пользуются, в частности, понятиями абсолютной и относительной влажности.

Абсолютная влажность — это количество граммов водяного пара, содержащееся в $1м^3$ воздуха при данных условиях, т. е. это плотность водяного пара $р$, выраженная в г/$м^3$.

Относительная влажность воздуха $φ$ — это отношение абсолютной влажности воздуха $р$ к плотности $р_0$ насыщенного пара при той же температуре.

Относительную влажность выражают в процентах:

Концентрация пара связана с давлением ($p_0=nkT$), поэтому относительную влажность можно определить как процентное отношение парциального давления $р$ пара в воздухе к давлению $р_0$ насыщенного пара при той же температуре:

Под парциальным давлением понимают давление водяного пара, которое он производил бы, если бы все другие газы в атмосферном воздухе отсутствовали.

Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре находящийся в нем пар можно довести до насыщения. При дальнейшем охлаждении водяной пар начнет конденсироваться в виде росы.

Точка росы

Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы находящийся в нем водяной пар достиг состояния насыщения при постоянном давлении и данной влажности воздуха. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности воздуха или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности воздуха $φ = 100%$ точка росы совпадает с температурой воздуха. При $φ > |U_|$ — газ.

Как уже было показано, в процессе плавления кинетическая энергия движения молекул не меняется, так как температура системы неизменна, а подводимое тепло идет на разрушение кристаллической решетки твердого тела, т. е. на увеличение потенциальной энергии молекул и разрыва связей между ними, что приводит к превращению твердого тела в жидкость. В жидкостях средняя кинетическая энергия молекул меньше абсолютного значения средней потенциальной энергии (и внутренняя энергия в целом отрицательна, хотя ее абсолютное значение незначительно отличается от нуля).

При затвердевании , кинетическая энергия жидкости в результате контакта с окружающей средой (теплообмен) уменьшается до величины, при которой расстояния между молекулами становятся достаточными для образования устойчивых связей (образования кристаллических зародышей). Потенциальная энергия молекул в узлах образующейся кристаллической решетки уменьшается, а избыток кинетической энергии выделяется в виде тепла при неизменной температуре. Внутренняя энергия вещества в твердой фазе определяется главным образом взаимодействием молекул и зависит от их расположения: $Е_k t_1$ и, следовательно, $Q > 0$. При охлаждении тела $t_2 0$ и $∆U > 0$, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа $Q 0$) он совершает положительную работу ($А’ > 0$). Если газ отдает тепло окружающей среде, $Q

Источники:
  • http://www.ngpedia.ru/id626321p1.html
  • http://studfiles.net/preview/3816255/page:3/
  • http://infopedia.su/13x95a0.html
  • http://mydocx.ru/3-39607.html
  • http://naparah.com/fizika/09181681.html
  • http://examer.ru/ege_po_fizike/teoriya/mkt_termodinamika_obyasnenie_yavlenij