Fizika - V. F. Dmitriyeva

зовнішніх сил, тобто коли газ розширюється у вакуум. Ори цьому зовнішній тиск дорівнює нулю. Розширення газу у вакуум має супроводитися зниженням температури, оскільки між молекулами газу діють молекулярні сили; розширюючись, газ виконує роботу з подолання цих сил, внаслідок: чого його внутрішня енергія, а отже, і температура зменшуються. Проте в деяких випадках цей процес супроводиться не охолодженням, а нагріванням газу, який розширюється,

Це явище описали Дме, Джоуль і У, Томсои, і тому його назвали ефектом Джоуля - Томсона.

Дослід Джоуля і Томсона полягав ось у чому, В трубці, що має адіабатну оболонку, встановлювали пористу перегородку (рис. 6,2). З одного боку перегородки газ був під тиском рр з другого - під тиском р2 >р{. Внаслідок різниці тисків газ повільно адіабатно переходить крізь перегородку з однієї частини трубки в іншу. При цьому змінюється температура, яку вимірювали термометрами в трубці з обох боків перегородки, Було з'ясовано, що більшість газів при кімнатній температурі в процесі розширення охолоджується (АГ <0 К), тобто спостерігається додатний ефект Джоуля - Томсона, а

для водню і гелію температура підвищується (АТ > 0 К), тобто спостерігається від'ємний ефект Джоуля - Томсона. Якщо газ, розширюючись, не нагрівається і не охолоджується, то ефект Джоуля - Томсона, дорівнює нулю. Такий стан характеризується температурою інверсії ~ найбільшим значенням температури, при якій може змінитися знак явища. Вище цієї температури ефект завжди від'ємний. Інверсійна температура становить 200 К для водню, 1063 К для кисню і 2073 К для вуглекислого газу.

Явище Джоуля - Томсона є наслідком залежності внутрішньої енергії реального газу не тільки від температури, ш й вад об'єму і на* явності в молекул реального газу потенціальної енергії взаємодії Для ідеальних газів ефект Джоуля - Томсона дорівнює нулю,

Додатний ефект Джоуля - Томсона використовують при стисканні газів для добування низьких температур, чого можна досягти двома способами: І) якщо газ перебуває при температурі, нижчій від інверсійної і нижчій від критичної, то його температура при розширенні знижується внаслідок виконання роботи проти молекулярних сил; 2) температура газу знижується при адіабатному розширенні внаслідок виконання роботи про-

ти зовнішніх, сил.

Тепер досягнуто температур, близьких до 0 К (порядку тисячних часток; кельвіна). Низькі температури широко використовують у наукових і технічних цілях.

211

§68. Зрідження газів

івикористання утвореної рідини в техніці

Зрідження газів

Перехід газів у рідкий стан називається зрідженням газів. Довгий час деякі гази, зокрема кисень і азот, не вдавалось перетворити в рідини. Вважали, що рідкий кисень і рідкий азот взагалі існувати не можуть. Причину невдачі зрідження цих газів уперше пояснив Д. І. Менделєєв: газ можна перетворити в рідину, якщо його температура нижча від критичної, а тиск вищий від критичного; отже, температуру газів перед фідженням треба спочатку знижувати до значення Гкр .

Гази, які мають досить високу (вище 220 К) критичну температуру, звичайно зріджують, стискаючи, а потім охолоджуючи його до температури, яка нижча від температури кипіння. У такий спосіб добувають вуглекислоту (Г к р - 304,25 К), хлор ( 7 ^ = 417,15 К), аміак (Гкр = 405,55 К)

гощо.

Для добування рідкого кисню (т^ =154,45 к ) , азоту (Т^ =126,05 К),

водню (Гкр= 33,25 К) і особливо гелію (.7^=5,25 К) використовують

спеціальні установки - детандери.

Детандер - це пристрій, в якому потрібної для зрідження газів температури досягають тим, що охолоджуваний газ виконує роботу не тільки проти сил молекулярної взаємодії, а й проти зовнішніх сил. Найдосконаліший і урбодетандер реактивного типу розробив радянський фізик II. Л. Капіца (1938)*. У цьому пристрої спочатку стиснений газ, обертаючи турбіну і розширюючись при цьому, виконує роботу проти зовнішніх сил, дуже охолоджується і конденсується. Детандери широко застосовують у промисловості.

Використання отриманої рідини в техніці

Велике значення для розвитку техніки має отримання рідкого повітря. З рідкого повітря легко отримати азот і кисень. Якщо рідке повітря нагрівати, то першим випаровуватиметься азот при 77 К, а потім кисень при 90 К.

Оскільки рідке повітря має досить значний вміст кисню, то воно сприяє горінню. Вугільний порошок, просочений рідким повітрям, - це речевина, яка за вибуховою силою не поступається динаміту,

* П. Л. Капіца (1894-1984) - учень Резерфорда, лауреат Нобелівської премії.

211

Рідке повітря широко застосовують для збагачування пальної суміші двигуна літака під час польотів у стратосфері, для підсилення доменного процесу тощо.

При температурі зріджених газів різні речовини переходять у твердий стан. Так, наприклад, обливаючи рідким повітрям ртуть, можна перетворити її в твердий стан. Зануривши в посудину з рідким повітрям пробірку зі спиртом, дістають твердий спирт, температура замерзання якого 159 К.

Фізичні властивості багатьох речовин при температурі зріджених газів значно змінюються. Так, наприклад, ртуть і цинк стають ковкими, свинець - пластичний метал - стає пружним, як сталь. Деякі тіла, пружні при звичайній температурі, будучи охолодженими в зрідженому газі, стають крихкими, як скло. Так, наприклад, кусок гуми після охолодження в рідкому повітрі легко ламається. При температурах, близьких до 0 К, у багатьох речовин опір електричному струму зменшується до нуля. Це явище назвали надпровідністю.

Зріджені гази швидко випаровуються. Для їх збереження Дьюар сконструював спеціальні посудини з подвійними стінками, з внутрішнього простору між якими відкачано повітря. У такий спосіб майже усувається теплообмін вмісту посудин із зовнішнім середовищем через конвекцію і теплопровідність. Для зменшення нагрівання через випромінювання стінки виготовляють дзеркальними. Одна з посудин Дж, Дьюара - термос, призначений для збереження їжі в гарячому вигляді.

§ 67. Абсолютна і відносна вологість повітря. Точка роси

Абсолютна і відносна вологість повітря

У природі є багато відкритих водойм, з поверхні яких безперервно випаровується вода. Тому до складу атмосфери входить і пара води. Кількість водяної пари в повітрі характеризує його абсолютну вологість - величину, що показує, яка маса пари води міститься в 1 м3 повітря. Крім абсолютної вологості, треба знати й ступінь насичення повітря парою. Він характеризується відносною вологістю - величиною, що дорівнює відношенню абсолютної вологості В до кількості І\ водяної пари в

1 м\ яка насичує повітря при певній температурі; відносну вологість визначають у процентах:

/ = £ • 1 0 0 % .	(6.2)
М)

Якщо повітря не містить пари води, то його абсолютна і відносна вологості дорівнюють нулю.

212

Точка роси

Абсолютну вологість повітря можна визначати за точкою роси,

Іочці роси відповідає температура, при якій пара, що є в повітрі, стає насиченою. Значення В0 для різних температур зведені в довідкову таблицю. < )гжс, знаючи точку роси і температуру повітря і взявши з таблиць знамення О і О0 , можна визначити /.

Гігрометр

Прилади для визначення вологості повітря називаються гігромстрами. Робота найпростішого гігрометра ґрунтується на тому, що знежирена людська волосина видовжується від збільшення вологості повітря.

Якщо таку волосину С (рис. 6.3) помотати навколо легенького блока, прикріпивши один кінець його до металевої рами, а до другого підві- єм ги тягарець Р, то при зміні довжини волосини покажчик 5, прикріплений до блока, рухатиметься.

І Іопередньо проградуювавши цей прилад, можна безпосередньо по ньому визначати відносну вологість.

Волосяний гігрометр застосовують тоді, коли не потрібна велика точність визначення вологості повітря.

	Психрометр
	Точніше вологість по-
мп ря	визначають за допомогою
психрометра (рис. 6.4). Він склада-
єгьея з двох термометрів, резерву-
ар одного з них обгорнуто марлею
Л/, яка опущена в посудину П з
модою. Вода, піднімаючись по ка-
пілярах	марлі, змочує резервуар
і ермометра. Якщо повітря не наси-
* іеі іс водяною парою, то вода з марлі		Рис. 6.3	Рис.6.4

213

випаровується, охолоджуючи термометр, тому термометр з вологим резервуаром покаже нижчу температуру, ніж термометр з сухим резервуаром. Чим сухіше повітря, тим більша різниця показань сухого і мокрого термометрів. За цією різницею з психрометричних таблиць визначають відносну вологість повітря. Якщо повітря насичене водяною парою, то показання термоіметрів будуть однакові, відносна вологість становитиме 100 %, що можливо, наприклад, під час дощу, туману тощо.

§ 68. Взаємодія атмосфери і гідросфери

Атмосфера

Повітряну оболонку Землі називають атмосферою (від грец. "атмос" - пара, "сфера" - куля). Атмосфера захищає рослинний і тваринний світ від згубної дії ультрафіолетового і космічного випромінювань. Без атмосфери наша планета була б такою ж позбавленою життя, як і Місяць. Сонячне проміння розжарило б освітлений бік Землі, а на неосвітленому боці був би крижаний холод. Атмосфера огортає Землю, зберігаючи теплоту, одержану від Сонця.

Основна маса атмосфери міститься в приземному шарі повітря, який називають тропосферою. На її частку припадає близько 90 % маси всієї атмосфери. Верхня межа тропосфери розміщена на висоті 10 км у полярних широтах і на висоті 17 км в екваторіальних.

Тепло тропосфера одержує в основному від земної поверхні. Температура тропосфери зменшується з висотою, від'ємний перепад температури становить близько 1 К на кожні 100 м. У верхній частині тропосфери - тропопаузі - зниження температури різко сповільнюється, і в шарі завтовшки близько 2 км температура майже не змінюється.

Усі явища, пов'язані із зміною погоди на Землі, відбуваються в тропосфері. Велике значення при цьому мають випаровування і конденсація води. З поверхні різних водойм щодоби випаровується близько 7-Ю3 км3 води і майже стільки ж випадає у вигляді опадів, тому в середньому кількість водяної пари в атмосфері приблизно стала.

Утворена біля поверхні Землі водяна пара захоплюється конвективним рухом повітря. Піднімаючись угору на висоту 1,5-2 км і охолоджуючись, вона приходить у стан насичення і конденсується. З утворених крапельок, які вдержуються висхідними потоками повітря, утворюються хмари. Розміри цих крапельок малі, порядку 0,01 мм.

Якщо хмари ущільнюються, го в них утворюються дощові краплі, їхні розміри досягають 1-5 мм. Такі краплі вже не можуть утриматися в хмарі, і падає влітку дощ, а взимку сніг.

214

Конденсація нари і утворення хмар пов'язані з виділенням теплоти. Ці про- і т и мають істотне значення в енергетичному режимі нижньої тропосфери.

Вище від тропосфери розміщена стратосфера, Стратосфера характері пусгься додатним градієнтом температури. Температура нижньої межі є і ра госфери 200-210 К, верхньої - порядку 280 К. Висота тропосфери до М) 55 км, середній тиск близько 1000 Па.

Вище від тропосфери розміщена мезосфера. Тропосферу і мезосферу відокремлює невеликий за товщиною шар із сталою температурою - стратопауза. Мезосфера сягає висоти 80 км. Температура мезосфери їмсншується з висотою, і в її верхній межі вона має порядок 160 К,

Ііаступний шар атмосфери - термосфера, в ньому температура знову починає підвищуватись і на висоті 600 км досягає 1200 К вночі і 1700 К вдень. Саме на цих висотах - у термосфері - обертаються навколо Землі її пітучні супутники і космічні кораблі. Тиск в термосфері порядку 10 Па, юбто концентрація газу незначна, тому висока температура не впливає на нагрівання поверхні супутників і космічних кораблів,

І!а висоті 800 км розміщений зовнішній шар атмосфери - екзосфера, який поступово переходить у міжпланетне середовище»

Гідросфера

Водна оболонка Землі - гідросфера - відрізняється від атмосфери тим, що вона покриває не всю земну кулю, а лише 70,8 % її поверхні. До водної оболонки належать і води суші - річки і озера, підземні води, а також гірські і покривні льодовики. Найбільше скупчення води на поверхні Землі - це Світовий океан, на його частку припадає 94 % всієї і ідросфери. Материки І острови ділять його на окремі океани, моря, про-

гоїш і затоки. Об'єм Світового океану досягає 1,37 -ІО9 км3 .

З поверхні океану щороку випаровується близько 450 тис. км3 води, (Начислення показують, що для випаровування всього об'єму океану погрібно було б 3000 років, але річки повертають океану ту кількість води, яку суша дістає за рахунок вологи, що випарилась з його поверхні. Отже, запас води в океані зовсім замінюється за 3000 років. Води в річках замінюються кожні 12 діб, тобто 30 разів за рік. Найактивніша пара атмосфери, вона замінюється кожні 10 діб. Таким чином, уся маса води на Землі перебуває в безперервному русі - у кругообігу. Вода випаровується з поверхні океану і суші, поповнюючи запаси атмосферної вологи. З атмосфери у вигляді дощу і снігу вона повертається в океан і на сушу.

У Світовому океані зародилося життя. Рослинність, яка виникла в ньому, збагатила атмосферу киснем і зробила її придатною для життя тварин.

215

Рис. 6.5

Досі діяльність рослинних організмів в океані, які розкладають воду на водень і кисень, - основне джерело вільного кисню в атмосфері.

Океан, атмосфера і суша безперервно обмінюються речовинами. Волога, яка випарилась з поверхні гідросфери, переноситься вітрами на материки і, випадаючи у вигляді опадів, зрошує землю.

У всіх природних водах у розчиненому стані містяться різні гази, переважно азот, кисень і вуглекислий газ. Вуглекислий газ, що надходить у воду з атмосфери, використовують рослини в процесі фотосинтезу. За рік на побудову своїх тканин рослинний планктон і бактерії забирають з вуглекислого газу близько 100 млрд т вуглецю. В атмосфері міститься у 60 разів менше вуглекислого газу, ніж в океані.

Відомо, що вода має велику теплоємність: 1 м3 води, охолонувши на 1 К, може нагріти на 1 К понад 3300 м3 повітря. Внаслідок цього

океани і моря є акумулятором і розподільником сонячного тепла на поверхні нашої планети.

§ 69. Кипіння.

Залежність температури кипіння від тиску

Кипіння

У процесі випаровування найшвидші молекули рідини залишають поверхню рідини, подолавши сили молекулярної взаємодії і перетворившись у молекули пари (див. § 63).

Окремим випадком випаровування є кипіння. Це процес інтенсивного пароутворення не тільки з вільної поверхні, а й з усього об'єму рідини.

Нагріємо рідину у відкритій посудині. Усяка рідина містить деяку кількість розчинених газів. Із підвищенням температури розчинність газу зменшується. Газ виділяється з рідини, осідаючи у вигляді дрібних бульбашок на внутрішніх стінках посудини. З підвищенням температури розміри бульбашок зростають, а потім вони спливають.

Потрапляючи у верхні, менш нагріті шари рідини, вони зменшуються в розмірах внаслідок конденсації пари всередині їх (рис. 6.5, а).

Коли температура рідини вирівняється, об'єм бульбашок при підніманні зростатиме. Відбувається це тому, що тиск насиченої пари всередині бульбашки не змінюється: рн = пкТ, а гідростатичний тиск р%Н зменшується. При сталій температурі

216

пн к насиченої пари від об'єму не залежить, увесь простір усередині буль-

• кішки в процесі її зростання заповнений насиченою парою: Коли бульбаш- і і досягне поверхні рідини, то тиск насиченої пари в ній практично дорівнює атмосферному тиску на поверхні рідини. Насичена пара, яка заповнює Оульбашку, викидається в атмосферу (рис. 6.5, б). Відбувається кипіння.

І'ідина кипить при однаковій температурі всієї рідини, коли тиск 11 аси чу вальної пари цієї рідини дорівнює зовнішньому тиску.

Кожна рідина за нормальних умов кипить при певній температурі, при чи пі тиск насичувальної пари цієї рідини дорівнює зовнішньому тиску на и поверхню. Цю температуру називають температурою кипіння.

Теплота, яка надходить до рідини в процесі кипіння, витрачається на юільшення потенціальної енергії молекул, на роботу проти зовнішнього піску під час утворення і руху бульбашок пари, на компенсацію втрат

іпілоти, пов'язаних з процесом випаровування рідини в навколишнє середовище.

іцих міркувань зрозуміло, що температура кипіння рідини залежить від зовнішнього тиску. Чим менший зовнішній тиск, тим нижча темпера-

іура кипіння рідини. Цим пояснюється добре відомий факт, що на великнх висотах, де атмосферний тиск знижений, рідини киплять при темпера гурах, нижчих, ніж на рівні моря. Навпаки, в котлах парових машин, де

іпек досягає порядку 15 атм ^15 • 105 Патемпература кипіння води близь-

ка до 200 °С (473 К).

Коли кажуть про температуру кипіння рідини, не вказуючи тиску, мають на увазі температуру кипіння при нормальному тиску (760 мм рт. сг. =

1,02-105 Па).

Рівняння теплового балансу при пароутворенні і конденсації

Кількість теплоти, яка потрібна для перетворення на пару рі- дини, нагрітої до температури кипіння, визначають за формулою

Є = гш,

(6.3)

де г - питома теплота пароутворення; т - маса рідини, перетвореної на пару.

Із закону збереження енергії випливає, що в процесі конденсації пари в рідину виділяється кількість теплоти, яку визначають за формулою (6.3),

Питома теплота пароутворення для певної рідини зменшується з підвищенням температури. Питому теплоту пароутворення визначають на досліді. Як правило, її визначають за теплотою конденсації. Для цього

217

пару речовини, питому теплоту пароутворення якої визначають, впускають у холодну рідину тієї самої речовини, що міститься в калориметрі. Знаючи температуру кипіння Тк9 масу рідини іщ і її температуру до впускання пари (7\) і після (Г2 ), складають рівняння теплового балансу. Нехтуючи кількістю теплоти, яка виходить у навколишній простір, дістанемо

де О = тш ~~ кількість теплота, яка виділяється при конденсації пари; (2\ =схт(Тк ~Т2) - кількість теплоти, яку віддала рідина, що утворилася з пари; ^2 - схтх (Г2 - Тх) - кількість теплоти, яку одержала рідина, що міститься в калориметрі; 0>л =с2 т2 (Т2 - 7|) - кількість теплоти, яку одержав калориметр; сІ9 с2 ~~ питомі теплоємності рідини і речовини калориметра, Звідси визначимо питому теплоту пароутворення:

г =	(Г2 - Тх) + с2тг (Т2 - з;) - дія (Тк ~Т2)
	т

§ 70» Перегріта пара та її використання в техніці

Пара, яка має температуру, вищу від температури насичення при тому самому тиску; є перегрітою. Перегріту пару застосовують як робоче тіло в теплових двигунах, турбінах тощо.

Розвиток техніки залежить від уміння якомога повніше використовувати величезні запаси внутрішньої енергії, яка міститься в паливі. Застосовувати внутрішню енергію - це означає дістати за рахунок неї корисну роботу, а це, в свою чергу, означає, що для використання внутрішньої енергії її треба спочатку перетворити в механічну. Це можна здійснити різними способами, наприклад, перевести енергію палива в енергію газу або пари. Розширюючись, газ виконує роботу і при цьому охолоджується. Його внутрішня енергія переходить у механічну енергію рухомого поршня або обертової турбіни, Добуту в котлах перегріту пару (суху) направляють до парової турбіни. Температура перегрітої пари така велика, що ККД таких турбін перевищує 45 %. Після виконання роботи в турбіні пара має ще високу температуру і значний запас енергії, тому її використовують в опалювальних системах,

Енергію водяної пари широко застосовують для роботи парових турбін теплоелектростанцій, парових машин, для виробничих і побутових потреб.

218

§71. Поняття про атмосферу планет

Усі планети Сонячної системи оточені атмосферою - шаром і ти», який угримується біля поверхні планет силами тяжіння.

Виявлена під час космічних і астрофізичних досліджень відмінність хімічного складу атмосфери планет Сонячної системи пояснюється відмінністю еволюції цих планет.

Атмосфера Землі обертається разом із Землею як єдине ціле.

її маса приблизно дорівнює 5-Ю18 кг. Склад атмосфери біля поверхні ісмлі: 78,1 % азоту, 21 % кисню, 0,9 % аргону, незначні частки вуглекисиого газу, водню, гелію, неону та інших газів. На висоті 20-25 км розміщений шар озону, який захищає живі організми на Землі від шкідливого короткохвильового космічного випромінювання. У нижніх шарах атмосфери міститься ще водяна пара. Вище 100 км склад атмосфери починає імінюватися з висотою. На дуже великих висотах переважають гелій і водень.

Тиск і густина повітря в атмосфері з висотою також спадають. Атмосфера відіграє важливу роль у тепловому балансі планет. Водяна

пара і вуглекислий газ атмосфери Землі значною мірою поглинають тепнове проміння, захищаючії Землю від охолодження. Отже, атмосфера створює парниковий ефект і зменшує добові й сезонні коливання температури.

Атмосфера на інших планетах значно відрізняється від земної. Так, наприклад, атмосфера Венери складається з 97 % вуглекислого газу, 2 % азоту, 1 % кисню. Такий склад атмосфери і її висока густина (тиск на поверхні досягає 100 атм) підсилюють парниковий ефект. Хоча вуглекислий

іаз на Венері переважає в складі її атмосфери, а на Землі становить лише незначну частку атмосфери, загальний вміст вуглекислого газу на Венері

і*емлі приблизно однаковий. Тільки на Землі практично вся вуглекислота

ів'язана в осадових породах, а на Венері вона вивільнилася в атмосферу. 11 а Землі є такі потужні поглиначі вуглекислого газу, як океан, рослинний світ, що разом з помірною температурою сприяє його розміщенню в поверхневих породах. На Венері поглинання вуглекислого газу регулюється лише

мінералами поверхні, які при високій температурі ( - 7 5 0 К) розкладаються і виділяють вуглекислий газ.

Малий вміст кисню в усіх досліджених атмосферах, крім земної, пояснюється тим, що він є результатом життєдіяльності рослинного світу, який на жодній планеті не дістав такого розвитку, як на Землі.

В атмосфері Марса виявлено вуг лекислий газ і водяну пару, тиск атмосфери дуже малий і не перевищує 1 кііа. В атмосфері Меркурія - вуглекислий газ, але оскільки поверхня Меркурія нагрівається до 620 К, то атмосфери на планеті фактично немає.

219