Вопросы

1. Что такое внутренняя энергия идеального газа? В результате каких процессов может изменяться внутренняя энергия системы? Зависит ли внутренняя энергия от числа атомов в молекуле газа?

1. Что такое теплоемкость тела? Какая из теплоемкостей газа – C_V или C_P – больше и почему?

2. Чему равна работа изобарного расширения моля идеального газа при нагревании на 1 К?

3. Температура газа в цилиндре постоянна. Запишите на основе первого начала термодинамики соотношение между сообщенным количеством теплоты и совершенной работой.

4. Как изменится температура газа при его адиабатном расширении?

5. Возможен ли процесс, при котором теплота, взятая от нагревателя, полностью преобразуется в работу?

6. Какие физические величины – внутренняя энергия, теплота, работа, энтропия – являются функциями состояния, а какие нет?

3. Атмосферное давление. Жидкости. Фазовые превращения. Твердые тела.

   1. Атмосферное давление. Изменение атмосферного давления с высотой

Атмосфера – это воздушная оболочка Земли, простирающаяся на высоту в несколько тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести верхние слои воздуха сжимают нижние. Воздушный слой, прилегающий к Земле, сжат более всего, и давление по закону Паскаля передается по всем направлениям. Вследствие этого земная поверхность и находящиеся на ней тела испытывают давление толщи воздуха – атмосферное давление. Наличием атмосферного давления могут быть объяснены многие явления: подъем воды в цилиндре вслед за поршнем водяного насоса, результат опыта Торичелли и др. Высота ртутного столба, уравновешивающего нормальное атмосферное давление (101 300 Па), составляет 760 мм, высота водяного столба – 10,36 м.

Измерения показывают, что плотность и давление воздуха быстро убывают с высотой (Рис. 2 .13).

Рис. 2.13 Изменение атмосферного давления с высотой h

Изменение давление описывается барометрической формулой

2.43

Такое распределение плотности по высоте объясняется действием двух причин – силы тяжести и беспорядочного движения молекул. Четкой верхней границы атмосфера не имеет.

2. Испарение и конденсация. Зависимость температуры кипения от давления. Влажность воздуха

Испарением называется переход вещества из жидкого состояния в газообразное (парообразное). Испарение происходит при любой температуре, но скорость испарения зависит от температуры, рода жидкости, площади поверхности, скорости движения газа над поверхностью (ветра) и от давления газа над поверхностью. При испарении жидкость охлаждается, однако если к ней подводить тепло, то испарение может происходить при постоянной температуре.

Количество теплоты, которое необходимо передать жидкости массой 1 кг для ее испарения при постоянной температуре, называется удельной теплотой испарения:

2.44

где Q – количество подведенной теплоты;

m – масса испарившейся жидкости.

Удельная теплота испарения зависит от температуры, при которой находится жидкость. Так, у воды при 0С она равна 2.510⁶ Дж/кг, а при 100С – 2.210⁶ Дж/кг. Большие значения энергии, необходимой для испарения, объясняются тем, что для удаления молекул из жидкости необходимо преодолевать большие силы притяжения.

Одновременно с испарением происходит и обратный процесс перехода вещества из парообразного в жидкое состояние – конденсация. При этом энергия выделяется. Удельная теплота конденсации по модулю равна удельной теплоте испарения.

Если жидкость находится в закрытом сосуде, то покинувшие жидкость молекулы остаются над жидкостью, накапливаются там и давление пара растет. При этом будет возрастать число молекул, возвращающихся в жидкость и, наконец, наступит состояние динамического равновесия, когда число конденсирующихся молекул будет равно числу испаряющихся. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным (или насыщающим). Давление насыщенного пара сильно зависит от температуры, поскольку при повышении температуры резко возрастает число молекул, переходящих из жидкости в пар.

При определенной температуре начинается процесс бурного испарения с поверхности жидкости и внутрь пузырьков по всему объему жидкости – кипение. Опыт показывает, что температура кипения – это температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению над жидкостью. Для того чтобы всплывшие пузырьки лопались, давление насыщенного пара внутри них должно быть не меньше внешнего давления на жидкость. Вот почему температура кипения сильно зависит от атмосферного давления и растет с повышением давления.

Обычно водяной пар, содержащийся в атмосфере, ненасыщенный. Относительной влажностью называют отношение давления водяного пара в воздухе р к давлению насыщенного пара воды р_н при температуре атмосферы:

.

2.45

При данном количестве водяного пара в воздухе относительная влажность с понижением температуры возрастает, так как падает давление насыщенных паров. При температуре, называемой точкой росы, пар становится насыщенным и начинается конденсация: возникает туман, выпадает роса, твердые поверхности запотевают.

Поскольку давление газа пропорционально концентрации молекул, а следовательно, и плотности, то относительную влажность можно определить как отношение плотности водяного пара в воздухе к плотности насыщенного пара:

.

2.46

Абсолютной влажностью называется плотность водяного пара, находящегося в воздухе (т.е. масса пара в единице объема).

Для измерения влажности используют гигрометры и психрометры.