Зависимость температуры от давления: Зависимость температуры кипения от давления. Движение. Теплота

Содержание

Зависимость температуры кипения от давления. Движение. Теплота

Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды равна 100 °C; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода, где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100 °C.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих случаях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82 °C.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?

Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.

Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.

Вода кипит при 100 °C только при определенном давлении – 760 мм Hg.

Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 98. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82 °C.

А вот водой, кипящей при 10–15 мм Нg, можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10–15 °C.

Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм Hg.

Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.

Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т.е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas – полость).

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200 °C, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300 °C.

Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и «перевернуть», сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.

Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.

Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0 °C (т.е. 273 K) упругость пара равна 4,6 мм Hg, при 100 °C (373 K) она равна 760 мм, т. е, возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0 °C, т.е. 273 K, до 273 °C, т.е. 546 K) упругость пара возрастает с 4,6 мм Hg почти до 60 атм, т.е. примерно в 10000 раз.

Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое – от 0,5 атм до 1 атм, температура кипения возрастает от 82 °C (т.е. 355 K) до 100 °C (т.е. 373 K) и при изменении вдвое от 1 атм до 2 атм – от 100 °C (т.е. 373 K) до 120 °C (т.е. 393 K).

Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.

Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.

Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл – это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз – область устойчивого состояния жидкости.

Кривая равновесия пар – жидкость, т.е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других – несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.

Уже много раз мы пользовались словами «газ» и «пар». Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово «газ» мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим тогда, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.

Жидкости зависимость от температуры и давления

    Наличие положительных отклонений от идеального поведения компонентов и ограниченная взаимная растворимость обусловливают характер зависимости температуры, давления и состава равновесного пара от состава жидкости. Наиболее простые соотношения получаются, если взаимная растворимость компонентов мала, так что ею можно пренебречь. В этом случае молекулы компонентов естественно не оказывают влияния друг на друга, поскольку сосуществующие фазы представляют собой практически чистые компоненты. Поэтому активности компонентов во всем диапазоне валовых составов смесей равны единице, парциальные давления паров равны давлению паров чистых компонентов при заданной температуре, а общее давление над смесью — сумме давлений паров чистых компонентов  
[c.238]

    Указанная выше зависимость теплоемкостей газов, твердых гел и жидкостей от температуры дана в табл. 6—9, 12—14 и 15. Теплоемкость твердых и жидких тел практически не зависит от давления. Теплоемкость же газов в зависимости от давления [c.91]     Согласно принципу соответствия, отдельным фазам на диаграмме будут соответствовать геометрические элементы твердой фазе— площадь над кривой аОЬ, жидкой фазе — площадь над кривой ЬОс, газовой фазе (пар)—площадь под кривой аОс. Граничные кривые соответствуют сосуществованию фаз Оа — твердой и газовой (зависимость давления насыщенного пара от температуры при наличии твердой фазы), Ос — жидкой и газовой (зависимость давления насыщенного пара от температуры над жидкостью), ОЬ — твердой и жидкой (зависимость температуры плавления от давления). 
[c.185]

    Коэффициенты диффузии в газах при давлении 1 ат составляют приблизительно 0,1 — 1 м / , а для жидкости значения их в 10 —10 раз меньше, т. е. порядка 1 см сутки. Зависимость коэффициентов диффузии в жидкостях от температуры выражается эмпирическим уравнением [c.246]

    На рис. 50 представлена расчетная зависимость температуры капли испаряющейся воды, этилового спирта и бензина Б 95/130, а также скорости испарения этих жидкостей при их впрыскивании в поток воздуха 4= =204°С от давления рс. Температура воздуха в конце сжатия постоянна (4=204°С). Как видно из приведенных данных, повышение давления охлаждаемой среды при неизменной ее температуре приводит к замедлению скорости испарения воды, этилового спирта и бензина Б95/130.

[c.122]


    Функциональная зависимость давления насыщенного пара жидкости от температуры может быть выражена уравнением (IV, 56), а вдали от критической температуры уравнением (IV, 57). [c.144]     При ограниченной взаимной растворимости двух жидкостей кривые парциальных давлений паров принимают характерную форму. Схема зависимости давлений пара от состава при постоянной температуре показана на рис. Х ,4. Точкам а и Р отвечают соответственно давления насыщенных паров А и В. [c.400]

    Расчет давления насыщенного пара по методу Киреева. Этот метод основан на том, что кривые, выражающие зависимость давления пара жидкостей от температуры, подобны друг другу, в особенности для веществ, не слишком различающихся по своим физико-химическим свойствам и по температурам кипения. Уравнение Киреева имеет вид 

[c.168]

    Е Построить график зависимости давления паров исследуемой жидкости от температуры в координатах р — /»С и lg р— 1/Т° К- [c. 171]

    Изображенный на рис. 18-4 график дает, с одной стороны, зависимость парциального давления пара в равновесии с жидкостью от температуры, а с другой стороны, зависимость температуры кипения жидкости от парциального давления ее равновесного пара, поскольку точка кипения определяется как температура, при которой уравнивается с внешним давлением. При температурах ниже молекулы могут испаряться с поверхности жидкости, но любой пузырек пара, образующийся внутри жидкости, разрушается внешним давлением на ее поверхности. Однако при 7 давление внутри таких пузырьков становится равным внешнему давле- 
[c.127]

    Изображенная на рис. 18-4 кривая зависимости равновесного давления пара от температуры не поднимается вверх бесконечно она резко обрывается в так называемой критической точке, которая для воды соответствует = 218 атм и 7 р т = 374°С. Когда вещество достигает этой точки, молярный объем его паровой фазы уменьшается из-за повышенного давления, а молярный объем жидкости, которая, будучи конденсированной фазой, менее восприимчива к изменениям давления, возрастает вследствие повышения температуры. Таким образом, по мере подъема вдоль кривой равновесия жидкость-пар, показанной на рис. 18-4, жидкая фаза расширяется, а паровая фаза, наоборот, сжимается. Вещество достигает критической точки, когда молярные объемы его жидкой и паровой фаз становятся одинаковыми, так что различие между двумя отдельными фазами исчезает. В критической точке Н2О находится в одной фазе и имеет молярный объем 57 см -моль тогда как жидкая вода (плотность 1 г-см ) имеет молярный объем 18 см моль а пары воды при 298 К-молярный объем 24450 см -моль . Следовательно, критическая точка достигается главным образом не за счет расширения жидкости, а за счет сжимания газа до тех пор, пока он не уменьшит свой молярный объем до молярного объема жидкости. [c.128]

    Все свойства вещества, описанные в двух предыдущих разделах, могут быть представлены с помощью фазовой диаграммы-графика зависимости давления от температуры, указывающего условия, при которых твердая, жидкая или паровая фаза является термодинамически устойчивой формой вещества, и те условия, при которых две или даже все три фазы находятся в равновесии друг с другом. Показанная на рис. 18-6 фазовая диаграмма СС>2 типична для веществ, которые расширяются при плавлении, что случается чаще всего. Уже знакомая нам кривая зависимости равновесного давления пара от температуры простирается от тройной точки, где твердая, жидкая и паровая фазы находятся в равновесии, до критической точки. Вдоль этой линии жидкость и газ находятся в равновесии. Жидкость является устойчивой фазой выше этой кривой, а пар-устойчивой фазой ниже нее. [c.131]


    Жесткие перегородки изготовляют в виде дисков, плиток, патронов. Они состоят из частиц твердого материала, жестко связанных между собой путем непосредственного спекания или спекания в присутствии связующего вещества таким образом, что эти частицы образуют поры, проницаемые для жидкости. В зависимости от размера частиц исходного материала, температуры, давления и продолжительности спекания можно получить перегородки с различной пористостью. При этом равномерность пор оказывается тем выше, чем правильнее форма частиц исходного материала. Эти перегородки, как правило, отличаются длительным сроком службы, устойчивостью к действию агрессивных жидкостей и способностью легко отделяться от осадка. Однако частицы, которые проникают в поры перегородки, с трудом извлекаются, причем промывка и замена перегородки затрудняются тем, что она обычно жестко укреплена на фильтре. [c.371]

    В прямой зависимости от давления насыщенного пара раствора нелетучего вещества находится температура его кипения. Температурой кипения жидкости является температура, при которой давление ее паров становится равным внешнему давлению (100° С для воды, 80° С для бензола при Я = 1 атм). Следует обратить внимание на важное отличие раствора от чистого вещества. Температура кипения раствора отвечает его равновесию с первым пузырьком пара (начало кипения). Действительно, в силу нелетучести растворенного вещества утрата раствором даже ничтожно малого количества испарившейся жидкости приводит к увеличению концентрации раствора. Она будет отличаться от первоначальной и поэтому свойства раствора станут иными. [c.152]

    Обратимся к рассмотрению зависимости давления насыщенного пара от температуры. Схема процесса испарения, использованная нами, несмотря на свою упрощенность, позволяет все же в качественной форме предвидеть, как изменение температуры будет влиять на давление насыщенного пара. При повышении температуры кинетическая энергия молекул возрастает и, следовательно, большая доля молекул окажется обладающей энергией, достаточной для перехода в пар к тому же, вследствие происходящего при этом расширения жидкости, взаимное притяжение молекул будет ослабляться и теплота испарения уменьшаться. Так как оба эти фактора действуют в одном направлении, то число молекул, вылетающих из жидкости в 1 сек, при повышении температуры должно, сильно увеличиться и, следовательно, равновесие пара с жидкостью будет достигнуто только при более высоких концентрациях пара. Таким образом, с повышением температуры давление насыщенного пара должно увеличиться. Опыт вполне подтверждает этот вывод. [c.171]

    Кривые давления пара (см. рис. 64) выражают не только зависимость давления насыщенного пара от температуры, но и зависимость температуры кипения от внешнего давления. Повышение давления всегда повышает и температуру кипения, и наоборот, под пониженным давлением жидкости кипят при более низкой температуре. Нормальной температурой кипения, иначе точкой кипения, называется температура кипения при нормальном атмосферном давлении, т. е. температура, при которой давление насыщенного пара становится равным нормальному атмосферному давлению — 760 мм рт. ст. [c.173]

    Диаграмма состояния воды. На рис. 82 показана в схематической форме (т. е. без строгого соблюдения масштаба) диаграмма состояния воды в области невысоких давлений. Кривая ОС представляет зависимость давления насыщенного пара жидкой воды от температуры, кривая О А — зависимость давления насыщенного пара льда от темпе-, ратуры и кривая ОВ — зависимость температур замерзания воды от внешнего давления. Эти три кривые разделяют диаграмму на поля, каждое из которых отвечает одному из агрегатных состояний воды —пару, жидкости и льду. [c.248]

    В силу указанных преимуществ часто при рассмотрении величин, связь между которыми не является линейной, стараются использовать такие их функции, которые приводят искомую зависимость хотя бы приближенно к линейной. Так, зависимость давления насыщенного пара жидкости от температуры выражается кривыми примерно экспоненциального характера. Поэтому связь между lg/) и 1/Г для не очень больших интервалов температуры может приближенно рассматриваться как линейная  [c.36]

    На таких графиках часто целесообразно наносить и прямую эталонного вещества (в данном случае жидкости X), которая, при одинаковом масштабе на координатных осях, всегда располагается на биссектрисе угла между осями координат. Эта прямая играет роль определяющей, так как при сопоставлении с ней прямых, полученных для других веществ, наиболее наглядно видны все особенности рассматриваемой зависимости. Этот прием применяют и для сопоставления влияния изменения внешних условий (температуры, давления и других) и для сопоставления разных рядов сходных между собой веществ при постоянных внешних условиях. [c.38]

    Для обнаружения несистематических погрешностей опытных данных о равновесии в бинарных системах эти данные изображаются в виде диаграмм, выражающих зависимость состава пара от состава жидкости (кривые у—х) и зависимость температур или давлений при кипении и конденсации соответственно от состава жидкости и пара (кривые t—х, у или Р—х. у). Разброс точек дает возможность судить о величине случайных погрешностей. Для качественной проверки Бушмакиным [177] был рекомендован способ проверки с помощью зависимости коэффициента относительной летучести а от х. Достоинство этого метода заключается в чувствительности а к колебаниям. составов пара и жидкости. Однако для области малой концентрации одного из компонентов это превращается в недостаток, так как небольшие абсолютные погрешности в определении составов фаз вызывают большое отклонение величины а.[c.155]

    Уравнения (105.11) и (105.12) выражают зависимость давления насыщенного пара вещества, равновесного с жидкостью, от температуры. Для равновесия кристаллы пар зависимость давления насыщенного пара вещества, равновесного с кристаллами, от температуры выражается аналогичным уравнением [c.328]

    При высоких давлениях растворимость газов в жидкостях е ростом температуры может и увеличиваться. Так, например, растворимость водорода, гелия, неона и других газов в органических растворителях и водорода в жидком аммиаке увеличивается при повышении температуры. В ряде случаев растворимость газов в жидкостях с ростом температуры проходит через минимум. Количественную зависимость растворимости газов в жидкости от температуры [c.383]

    Зависимость взаимной растворимости жидкостей от температуры при постоянном давлении представляют на диаграммах состояния в координатах температура — состав. На рис. 127 приведена диаграмма состояния для системы вода — анилин, в которой взаимная растворимость двух жидкостей увеличивается с ростом температуры. На этой диаграмме кривая аКЬ, называемая кривой расслоения, делит диаграмму на две области гомогенную, лежащую выше кривой расслоения (незаштрихованная область), и гетерогенную, находящуюся под кривой расслоения (заштрихованная область). Фигуративные точки в гомогенной области, например точка (1, изображают состояние однофазной дивариантной системы (С = 2 — 1 + 1 =2). Любая фигуративная точка, лежащая внутри гетерогенной области, например точка О, изображает состояние двухфазной равновесной системы, обладающей при постоянном давлении одной степенью свободы (С = 2 — 2 -г 1 =1). [c.386]

    Известны два типа систем, состоящих из ограниченно растворимых жидкостей. В системах первого типа общее давление пара над растворами любого состава больше давлений паров чистых жидкостей при той же температуре (Р Р > р1). Такая зависимость общего давления пара от состава характерна для систем с достаточно близкими давлениями насыщенных паров чистых компонентов и относительно малой взаимной растворимостью жидкостей, например, для систем анилин — вода, фурфурол — вода, бутанол — вода, диэтилкетон — вода и многих других. В системах второго типа общее давление пара над растворами любого состава лежит между давлениями пара чистых жидкостей при той же температуре Р зависимость общего давления пара от состава наблюдается в системах с резко отличающимися давлениями паров чистых жидкостей и относительно большой взаимной растворимостью жидкостей, например, в системах никотин — вода, анилин — гексан и др. [c.396]

    Для кипения жидкости необходимо, чтобы упругость ее паров равнялась внешнему давлению. Понижая внешнее давление, мы понижаем и требующуюся для кипения упругость паров, а следовательно, и температуру кипения жидкости. Зависимость температуры кипения жидкости от внешнего давления, следовательно, может быть выражена той же самой кривой, что и зависимость упругости паров этдй жидкости от температуры. [c.72]

    Д. открыл закон парциальных давлений газов, установил зависимость количества испаряюще-йся жидкости от температуры, давления и других факторов. [c. 157]

    Для пароз многих жидкостей зависимость между давлением сухого насыщенного пара и температурой кипения (абс.) в определенном интервале температур может быть выражена формулой [c.8]

    Высокое давление действует прежде всего на электронные оболочки атомов и молекул, что по существу и определяет химическую реакционную способность веществ. Это означает, во-первых, что в области высоких давлений химикам следует ожидать существенного изменения химической активности соединений. Во-вторьк, подсказывает им, что для понимания процессов при высоких давлениях необходимо знать диаграммы состояния, т. е. зависимости температура-давление. При повышении давления, как известно, поведение газа отличается от идеального состояния повышается его растворимость, занимаемый объем уменьшается, возрастает скорость реакций. При давлениях 10 -10 бар исчезает различие между жидкостью и газом, а при 10 -10 бар-различие между твердой фазой и газом. Вследствие сильного сжатия атомов электронные оболочки деформируются, [c. 154]

    После каждой перекачки горячего высоковязкого продукта все трубопроводы, в том числе и аварийные, прокачивают маловязким незастывающим продуктом, чтобы исключить застывание первого. При обнаружении участков изоляции, пропитанных нефтепродуктом, принимают меры к предотвращению ее самовоспламенения (заменяют пропитанную изоляцию, подводят водяной пар). Запорную и регулирующую арматуру на трубопроводах в зависимости от рабочих параметров и свойств транспортируемой среды устанавливают, руководствуясь РУ—75. Для сжиженных газов и легковоспламеняющихся жидкостей с температурой кипения до 45 °С, независимо от температуры и давления среды, арматура должна быть стальной. Расположение запорных устройств должно быть удобным и безопасным для обслуживания. Задвижки, вентили, краны и прочие запорные устройства должны обеспечивать надежное и быстрое прекращение поступления продукта в отдельные участки трубопроводной сети. Всякие неисправности в запорных устройствах на трубопроводах необходимо устранять. Нельзя оставлять задвижки открытыми на неработающих аппаратах, оборудовании или трубопроводах. Выключенные из технологической схемы аппараты, оборудование и трубопроводы отглушают. Задвижки и вентили на трубопроводах систематически смазывают. Нельзя применять для открытия и закрытия арматуры ломы, трубы и другие приспособления. [c.115]

    В зависимости от условий работы насоса, т. е. от вида перекачиваемой жидкости, ее температуры и создаваемого давления, необходимо соблюдать определенные зазоры (посадки) между сопрягаемыми деталями, правила сборки, регулировки механизма парораспределения (для поришевых пасосов) и требования к изготовлению запасных частей. [c.227]

    Диаграммы такого типа часто применяются для представления зависимости давления насыщенного пара различных жидкостей от температуры (рис. 1У-12). Вместо давления насыщенного пара удобнее использовать рп, что значительно расширяет пределы измерения на диаграмме. На оси абсцисс откладываются значения g рп стандартного вещества, а так как для него известна зависимость от t° , на ось сразу наносятся значения температур, соответствующие (такая шкала не будет равномерной). На оси ординат откладываются значения g р сравниваемой жидкости. Выгоднее пользоваться логарифмической шкалой, поскольку при этом можно непосредственно определять значения давлений (не нужен пересчет значений р с lgPn)  [c.88]

    В обще( случае, как было указано выше (стр. 352), нам неизвестен вид уравнений состояния различных фаз как многокомпонентных, так и однокомпонентных систем. Исключением являются лишь уравнение Клапейрона—Менделеева, применимое, когда компоненты газообразной фазы подчиняются законам идеальных газов, и ряд более или менее удачно подобранных, но довольно сложных уравнений, описывающих состояние реальных газов и реальных индивидуальных жидкостей. Поэтому единственной возможностью найти зависимость между значениями переменных, определяющих состояние системы, остается метод непосредственных измерений температуры, давления и концентраций или объемов компонентов равновесных систем. Полученные данные нсполь-зуются для построения диаграмм состояния, которые представляют собой графическое выражение искомых закономерностей.[c.355]

    Насыщенный иар, т. е. нар, находящийся в состоянии равновесия с жидкостью, характеризуется максимальным давлением прп данной температуре. Давления наров в зависимости от температуры для некоторых химически чистых веществ приводятся в табл. 8. 3. На графике рис. 8. 1 приводится давление насыщенных наров смеси углеводородов в зависимости от температуры. [c.142]

    Зависимость нижнего допустимого предела давления от температуры — причина основного отличия расчета транспортирования легкоки-пящих жидкостей от транспортирования нефти или воды. Поэтому определение закона изменения температуры перекачиваемой среды при гидравлическом расчете трубопровода необходимо не только для расчета физических свойств, в частности, плотности, перекачиваемой среды, но и для оценки перепада давления. При перекачке жидкости распределение температуры по длине трубопровода определяют по формуле Шухова [c.175]

    Рассмотрим применение уравнения (VIII, 6) к равновесию твердое тело — жидкость, т. е. к определению зависимости температуры плавления от внешнего давления. Зная, что изменения объема в этих процессах незначительны и во много раз меньше, чем в процессах испарения или конденсации, можно заключить, что чувствительность температур плавления к изменению внешнего давления должна быть весьма слабой. [c.255]

    Среди различных методов сравнительного расчета термодинамических параметров химических реакцйй и других процессов своеобразное место занимают методы, основанные на сопоставлении этих процессов не при одинаковой температуре, а в условиях, от-вечаюпгих одинаковым значениям их констант равновесия (или, в более общей форме, одинаковым значениям AG°IT = — R In К). Сюда относятся, например, процессы испарения жидкостей при температурах кипения их при атмосферном (или другом одинаковом) давлении, процессы термической диссоциации карбонатов при температурах их разложения при атмосферном (или другом одинаковом) давлении, термической диссоциации окислов и других соединений (в форме гетерогенных или гомогенных процессов), сопоставление стойкости разных кристаллогидратов при заданной влажности воздуха и др. Первым в хронологическом отношении обобщением в этой области, нашедшим широкое применение, явилось известное правило Трутона, относящееся к процессам испарения жидкостей. Ле Шателье и Матиньон обнаружили, что аналогичная закономерность имеет место и для процессов термической дуссоциации кристаллогидратов солей, аммиакатов, карбонатов и других веществ при температурах, при которых давление диссоциации их равно 1 атм. Равновесное изменение энтропии в этих условиях оказывается равным примерно 32 кал/(К-моль). То же можно вывести из формулы Нернста, устанавливая при этом некоторую зависимость величины АН°/Т от температуры, при которой давление диссоциации в данном процессе равно 1 атм. Далее было показаночто приближенное постоянство равновесных изменений энтропии имеет место и при других химических реакциях, если сопоставление ограничивать реакциями, достаточно однотипными, причем такая закономерность наблюдается не только для условий, когда константа равновесия равна единице, но и когда она при другом численном значении одинакова для этих реакций.[c.185]

    Необходимо нагреть 17 400 кг1ч продукта от температуры 134 до 380° С. При давлении 1,03 ama на выходе из иечи происходит выпаривание 61% продукта. Средняя теплоемкость жидкости— 0,45 ккал/кг-°С, средняя теплота испарения — 80,5 ккал/кг, абсолютное теплосодержание на начало точки кипения при 1 ama — 222 ккал/кг. Угловой коэффициент 50%-ной точки кривой мгновенного испарения 2,42, а зависимость температуры 50%-ной точки от давления следующая  [c.128]


Глава 13. Газовые законы

Задачи на газовые законы часто предлагаются школьникам на едином государственном экзамене. Для решения этих задач вполне достаточно знать уравнение состояния идеального газа (закон Клапейрона-Менделеева) и уметь использовать его алгебраически и геометрически (для построения графиков зависимости одних параметров газа от других) в простейших ситуациях. Кроме того, нужно понимать, как описываются смеси идеальных газов (закон Дальтона).

Уравнение, связывающее параметры газа друг с другом, называется уравнением состояния. Для идеального газа, взаимодействие молекул которого мало, уравнение состояния имеет вид

(13.1)

где — давление газа, — концентрация молекул газа (число молекул в единице объема), — постоянная Больцмана, — абсолютная (в шкале Кельвина) температура. Учитывая, что , где — число молекул газа, — объем сосуда, в котором находится газ (часто говорят объем газа), получим из (13.1)

(13.2)

Число молекул можно связать с количеством вещества газа : , где — число Авогадро. Поэтому формулу (13.2) можно переписать в виде

(13.2)

где произведение постоянных Авогадро и Больцмана обозначено как . Постоянная = 8,31 Дж/(К•моль) называется универсальной газовой постоянной. Количество вещества газа можно также выразить через его массу и молярную массу этого газа

(13. 3)

С учетом (13.3) закон (13.2) можно переписать и в таком виде

(13.4)

Уравнение состояния идеального газа (13.1)-(13.4), которое также называется уравнением (или законом) Клапейрона-Менделеева, позволяет связывать параметры идеального газа и проследить за их изменением в тех или иных процессах.

В школьном курсе физики рассматриваются три изопроцесса, в которых один из трех параметров газа (давление, температура и объем) не изменяется. В изобарическом процессе не изменяется давление газа, в изотермическом — температура, в изохорическом — объем. Изопроцессам отвечают следующие графики зависимости давления от объема, давления от температуры, объема от температуры.

Для изобарического процесса

Первые два графика очевидны. Последний получается так. Из закона Клапейрона-Менделеева следует, что зависимость объема от температуры при постоянном давлении имеет вид

(13.5)

где — постоянная. Графиком функции (13.5) является прямая, продолжение которой проходит через начало координат.

Для изохорического процесса

Второй график следует из соотношения

(13.6)

где — постоянная при постоянном объеме.

Для изотермического процесса

Первый график следует из закона Клапейрона-Менделеева, который при постоянной температуре газа можно привести к виду

(13. 7)

где — постоянная. Отсюда следует, что графиком зависимости от в изотермическом процессе является гипербола.

Важнейшее свойство уравнения состояния идеального газа (13.1)-(13.4) заключается в том, что «индивидуальность» газа никак не проявляется в этих законах — единственный параметр собственно газа, входящий в уравнение состояния, — это число молекул. Например, 1 моль гелия и 1 моль азота, находящиеся в одинаковых объемах и имеющие одинаковые температуры, оказывают одинаковое давление. Отсюда следует, что и давление смеси идеальных газов определяется суммарным числом молекул всех компонент смеси:

(13.8)

где — число молекул первой, второй, третьей и т.д. компонент смеси, — постоянная Больцмана, — абсолютная температура смеси, — объем сосуда. Величины , имеющие смысл давления каждой компоненты смеси при условии, что она имела бы такую же температуру и занимала бы весь объем, называются парциальными давлениями компонент. Закон (13.8) называется законом Дальтона. Рассмотрим теперь в рамках этих законов предложенные выше задачи.

В задаче 13.1.1 из уравнения состояния в форме (13.1), получаем для давления в конце процесса :

т.е. давление газа увеличилось в 6 раз (ответ 1).

Применяя закон Клапейрона-Менделеева (13.2) к первому и второму газам (задача 13.1.2), получаем

где — искомый объем. Сравнивая первую и вторую формулы, заключаем, что (ответ 1).

Закон Клапейрона-Менделеева для газа в начальном и конечном состояниях (задача 13.1.3) дает

где — неизвестная температура. Из сравнения этих формул получаем , т.е. температуру газа в сосуде нужно повысить вдвое (ответ 2).

Из закона Клапейрона-Менделеева для начального и конечного состояний газа в задаче 13.1.4 имеем

Отсюда , т.е. количество вещества газа в сосуде увеличилось в 1,25 раза (ответ 3).

Первым, кто понял, почему жидкость поднимается вместе с трубкой (задача 13.1.5), и почему «природа боится пустоты» (Аристотель), но только до определенного предела, был знаменитый итальянский физик, современник Г. Галилея Э. Торричелли. Давайте рассмотрим рассуждения Торричелли подробно. Основная идея Торричелли заключалась в том, что атмосферный воздух оказывает давление на все поверхности, с которыми он контактирует. В равновесии жидкость занимает такое положение, чтобы все воздействия на каждый ее элемент компенсировались. Если бы трубка была открыта (см. левый рисунок), то жидкость не поднялась бы в трубке. Действительно, в этом случае на бесконечно малый элемент жидкости в трубке около поверхности (выделен на рисунке) действовали бы сила со стороны атмосферного воздуха в трубке, направленная вниз. С другой стороны, атмосферный воздух действует и на остальную поверхность жидкости, и это воздействие благодаря закону Паскаля передается выделенному элементу жидкости в трубке снизу. Таким образом, воздействие воздуха на поверхность жидкости в трубке и на свободную поверхность жидкости компенсируют друг друга, если уровень жидкости в трубке совпадает с уровнем жидкости в остальном сосуде. Если же мы поднимаем трубку, выпустив из нее воздух, на рассматриваемый элемент жидкости воздух сверху не действует (его нет в трубке), поэтому воздействие воздуха на свободную поверхность жидкости приведет к тому, что жидкость войдет в трубку и заполнит ее. При вытаскивании трубки жидкость будет подниматься вслед за ней. Однако при дальнейшем поднятии трубки наступит такой момент, когда воздействие воздуха на свободную поверхность и столба жидкости в трубке сравняются (в этот момент атмосферное давление будет равно гидростатическому давлению жидкости в трубке на уровне свободной поверхности). Дальнейший подъем трубки уже не приведет к поднятию жидкости — атмосферное давление не сможет «держать» столб жидкости большей высоты. Для воды этот столб составляет около 10 м, для ртути, с которой и экспериментировал Э. Торричелли, — 76 сантиметров. Таким образом, жидкость в трубке поднимается благодаря давлению атмосферного воздуха на поверхность воды в сосуде и закону Паскаля (ответ 4).

Сравнивая графики процессов 1, 2, 3 и 4, данные в условии задачи 13.1.6, с графиками изопроцессов, приведенными во введении к настоящей главе, заключаем, что: процесс 1 — изотермический, 2 — изохорический, 3 — изобарический. В процесс 4 меняются и давление, и объем, и температура газа (ответ 4).

В изотермическом процессе давление зависит от объема как ; на диаграмме этот процесс изображается гиперболой. Поэтому изотермическими являются процессы 1 и 3 (задача 13.1.7), но в процессе 1 объем газа убывает. Следовательно, изотермическим расширением является процесс 3 (ответ 3).

Изохорическим охлаждением в задаче 13. 1.8 является процесс 4 (см. рисунок) В двух последних задачах этого варианта нужно с помощью закона Клапейрона-Менделеева вычислить один из параметров газа, если даны остальные параметры. В задаче 13.1.9 из закона Клапейрона-Менделеева

получим

(ответ 1).

В задаче 13.1.10 при вычислениях следует не забыть перевести температуру газа в Кельвины. Из закона Клапейрона-Менделеева находим

(ответ 1).

Из уравнения состояния в форме (13.2) следует, что при одинаковых объемах и температурах давление идеального газа определяется только полным числом молекул. Поэтому отношение давления водорода и гелия в задаче 13. 2.1 равно 2 (ответ 2).

Поскольку перегородка в задаче 13.2.2 подвижная и находится в равновесии, давления газа в отсеках сосуда слева и справа от перегородки равны. Применяя к ним при этом условии закон Клапейрона-Менделеева, получим

для гелия

для азота

где температуры и массы газов по условию одинаковы. Деля эти уравнения друг на друга, находим отношение объемов частей сосуда

(ответ 4).

Если бы точки, отвечающие состояниям 1 и 2 в задаче 13.2.3, лежали на одной прямой, продолжение которой проходит через начало координат, то эти состояния принадлежали бы одной и той же изохоре, и, следовательно, объем газа в этих состояниях был одинаковым (см. формулу (13.6)). Поэтому для сравнения объемов этих состояний построим изохоры, проходящие через точки 1 и 2, и сравним отвечающие им объемы (см. рисунок; изохоры, проходящие через точки 1 и 2, показаны пунктиром).

Из формулы (13.6) следует, что чем больше объем, тем меньше коэффициент перед в зависимости (13.6), и, следовательно, меньше наклон соответствующей изохоры к оси температур. Поэтому изохоре 1 отвечает больший объем, чем изохоре 2, и, следовательно, объем газа в процессе 1-2 уменьшается (ответ 2).

Аналогичные рассуждения в задаче 13.2.4 показывают, что наибольшему давлению отвечает изобара, проходящая через точку (поскольку соответствующая прямая имеет наименьший наклон к оси температур; см. рисунок ниже). Поэтому правильный ответ в этой задаче — 3.

В закон Клапейрона-Менделеева входит абсолютная температура газа, поэтому данные в задаче 13.2.5 значения нужно перевести в Кельвины. В результате для отношения давлений газа в конечном и начальном состояниях получаем

(ответ 4).

Как следует из опыта, при приведении тел в тепловой контакт выравниваются их температуры. Это же касается и частей одного тела или даже компонент смеси газов (задача 13.2.6). Поэтому температуры компонент смеси будут одинаковы (ответ 1). Что касается парциальных давлений, плотностей или концентрации компонент смеси, то их значения зависят от количества молекул каждой компоненты смеси и могут быть различны.

Парциальное давление компонент смеси – это давление, которое оказывают только молекулы каждой компоненты. Как следует из формулы (13.8) парциальное давление любой компоненты можно найти, применяя только к ней закон Клапейрона-Менделеева и считая, что она имеет такую же температуру, как и вся смесь, и занимает такай же объем, как и вся смесь газов. Поэтому отношение парциальных давлений отдельных компонент смеси равно отношению количеств вещества (или числа молекул) этих компонент. Поэтому для отношения парциальных давлений углекислого газа и гелия в сосуде в задаче 13. 2.7 имеем (ответ 2).

Как следует из закона Дальтона, давление смеси газов определяется полным количеством молекул в ней. Поэтому для анализа изменения давления смеси газов при протекании в ней химической реакции (задача 13.2.8) необходимо исследовать изменение числа молекул. Гелий не участвует в химической реакции — один моль гелия был и в начальном, и в конечном состоянии смеси. С озоном происходила реакция

т.е. из двух молекул озона в результате реакции получились три молекулы кислорода. Поэтому два моля озона превратились в три моля кислорода, и общее количество вещества смеси стало равно четырем молям. Поэтому давление смеси увеличивается в 4/3 раза (ответ 2).

Поскольку объемы и температуры газов одинаковы (задача 13.2.9), для сравнения их давлений необходимо сравнить число молекул в них. По условию в одном сосуде находится один моль азота, в другом 1 г водорода (т. е. половина моля) и 3 • 1023 молекул гелия (тоже половина моля). Поэтому и в одном и в другом сосуде находятся одинаковые количества молекул, и, следовательно, давление газов в них одинаково (ответ 3).

Плотность газа (задача 13.2.10) можно найти из следующей цепочки формул

(ответ 4). Здесь — масса газа, — масса одной молекулы газа.

Калькулятор зависимости температуры, давления и плотности воздуха от высоты в стандартной атмосфере • Термодинамика — теплота • Онлайн-конвертеры единиц измерения

Земная атмосфера находится в непрерывном движении. Поэтому были разработаны гипотетические модели, которые приблизительно показывают поведение атмосферы, если воздух не содержит пыли и влаги, а также нет ветра и возмущений. Эти модели известны под названием «стандартная атмосфера». Они необходимы для расчетов и проектирования воздушных судов, для изучения их характеристик, для сравнения результатов испытаний воздушных судов и для решения многих других задач в авиации и других отраслях науки и техники.

Концепция стандартной атмосферы была разработана для стандартизации и унификации калибровки высотомеров, для изучения характеристик авиационных двигателей, при разработке которых очень важно точно знать величины плотности и давления воздуха, температуры атмосферы на среднем уровне моря, а также их распределение по высоте. Международная стандартная атмосфера (ISA) является одной из таких моделей. Международная организация по стандартизации (ISO) опубликовала эту модель в качестве международного стандарта ISO 2533:1975. Организации по стандартизации разных стран публикуют собственные атмосферные модели, основанные на стандарте ISA. Широко известным стандартом атмосферы является Стандартная атмосфера США 1976 г., в которой используется модель атмосферы, основанная на стандарте ISA. Различие между этими двумя моделями имеются на высотах более 86 км, которые в данном калькуляторе не рассматриваются. В России используется ГОСТ 4401-81 «Атмосфера стандартная. Параметры», также основанный на стандарте ISA.

Земная атмосфера находится в постоянном движении

Международная стандартная атмосфера (ISA)

Международная стандартная атмосфера «предназначена для использования в расчетах летательных аппаратов, для приведения результатов испытаний летательных аппаратов и их компонентов к одинаковым условиям и для унификации разработки и калибровки приборов». Использование этой атмосферной модели также рекомендуется при обработке данных геофизических и метеорологических наблюдений. Модель атмосферы используется в качестве стандарта, с которым можно сравнить реальную атмосферу. Значения температуры, давления и плотности воздуха уменьшаются с ростом высоты. На уровне моря они имеют следующие значения:

  • Давление 101,325 кПа.
  • Температура +15  °C.
  • Плотность 1,225 кг/м³.

Стандартная атмосфера США

«Стандартная атмосфера США, 1976 г. является идеализированным представлением земной атмосферы в статическом состоянии от поверхности до высоты 1000 км». Модель основана на существующих международных стандартах и, в основном, использует методологию, принятую в Международной стандартной атмосфере (ISA). Уравнения модели были приняты Комитетом по расширению стандартной атмосферы США (United States Committee on Extension to the Standard Atmosphere, COESA), который представлял 29 научных, правительственных, военных и инженерных организаций США. В модели атмосфера разделяется на семь слоев до максимальной высоты 86 км. Главным отличием Стандартной атмосферы США от Международной стандартной атмосферы является предложенное распределение температур на больших высотах, которое данный в данном калькуляторе не рассматривается.

Определения, константны и формулы, используемые в расчетах

Высота и эшелон полета

Современный высотомер с барабанным цифровым счетчиком, установленный на самолете Fokker 100. В двух окнах показано значение давления в гектопаскалях и дюймах ртутного столба, которое вводится путем вращения ручки кремальеры (слева внизу)

Несмотря на то, что эшелон и высота полета измеряются в одних и тех же единицах длины (метрах, километрах, футах и милях), они являются разными физическими величинами:

  • Высота полета — вертикальное расстояние объекта от среднего уровня моря, измеренное с помощью прибора для измерения длины или расстояния, например, лазерного дальномера или радиовысотомера.
  • Эшелон — условная вертикальная стандартная высота, рассчитанная по давлению, обозначаемая в сотнях футов с добавлением букв FL (англ. Flight Level — эшелон). Например, эшелон 34 000 футов обозначается как FL340. Эшелон измеряется с помощью прибора для измерения давления (например, барометрического высотомера, который фактически является точным барометром, откалиброванным в единицах высоты). При подготовке к взлету высотомер устанавливается на нулевую высоту. Когда самолет поднялся достаточно высоко (на высоту перехода), летчик устанавливает на высотомере стандартное давление 29,921 дюйма ртутного столба или 1013,25 гектопаскалей. При подготовке к посадке самолета, летчик должен на небольшой высоте (в разных юрисдикциях она может быть от 3000 до 18000 футов над уровнем моря установить на высотомере давление в аэропорту назначения, чтобы высотомер показывал при приземлении реальную высоту над уровнем моря.

Механический высотомер с ручкой установки барометрического давления измеряет атмосферное давление на приемнике статического давления, расположенном на обшивке борта самолета. Он откалиброван так, чтобы показывать давление в единицах высоты над уровнем моря. Перед взлетом и посадкой летчик получает от диспетчера величины давления на взлетно-посадочной полосе и устанавливает их в окошке, поворачивая ручку кремальеры.

Селектор радиуса Земли

R

В селекторе используется четыре константы радиуса Земли:

Средний радиус Земли, определенный Всемирной геодезической системой координат WGS-84: R₁ = 6371,0088 км.

Средний радиус Земли, определенный в Стандартной атмосфере США: R₀ = 6356,766 км.

Экваториальный радиус Земли (большая полуось), определенный Всемирной геодезической системой координат WGS-84: a = 6378,1370 км.

Полярный радиус Земли (малая полуось), определенный Всемирной геодезической системой координат WGS-84: b = 6356,7523142 км.

А — экваториальный, В — полярный и С — средний радиус Земли; С = (2А + В)/3

Удельная газовая постоянная для сухого воздуха

Rsp

Удельная газовая постоянная для сухого воздуха Rsp определяется как универсальная газовая постоянная, отнесенная к молярной массе сухого воздуха. В Стандартной атмосфере США 1976 г. и в ГОСТ 4401-81 «Стандартная атмосфера. Параметры» универсальная газовая постоянная определена как R* = 8314,32 Н м кмоль⁻¹ K⁻¹. Следовательно, удельная газовая постоянная для сухого воздуха в Дж K⁻¹ кг⁻¹ рассчитывается как

Стаднартное ускорение свободного падения

Стандартное ускорение свободного падения определяется международным стандартом ISO 80000-3 «Величины и единицы. Часть 3. Пространство и время»: g₀ = 9,80665 м/с² или 32,17405 фут/с². Несмотря на то, что ускорение свободного падения в разных местах Земли различное, для измерений всегда используется указанная выше стандартная величина.

Геопотенциальная высота

Сила тяготения зависит от высоты и широты места. Переход от геометрической высоты к геопотенциальной устраняет переменную — ускорение свободного падения. Геопотенциальная высота — это вертикальная координата относительно среднего уровня моря, вычисленная из геометрической высоты (измеренной с помощью прибора для измерения длины) с учетом изменения ускорения свободного падения в зависимости от высоты и широты. Иными словами, геопотенциальная высота — это высота, учитывающая силу тяжести. При этом изменение силы тяжести от широты места малó и не учитывается. Геопотенциальная высота является мерой удельной потенциальной энергии на данной геометрической высоте относительно поверхности Земли. Она используется в метеорологии и авиации. Соотношение между геометрической H и геопотенциальной высотой Z определяется следующей формулой (формула 18 в 1976 USSA), которая используется в этом калькуляторе

Например, для максимальной геометрической высоты, которую позволяет рассчитать этот калькулятор (Z = 86 км), соответствующая геопотенциальная высота будет H = 84,852 км. В калькуляторе геопотенциальная высота рассчитывается до определения температуры и давления.

Скорость звука

Скорость звука в воздухе около 343 м/с, или 1,235 км/час, или 767 миль в час. Это означает, что звук может проходить в воздухе один километр за 3 секунды или милю за 5 секунд. Скорость звука в воздухе зависит главным образом от его температуры; зависимость от частоты звуковых колебаний и давления воздуха пренебрежимо мала.

Конденсация влаги при околозвуковой скорости

Если предположить, что воздух сухой и что он является идеальным газом при относительно низком давлении и плотности, что имеет место в стандартных условиях на уровне моря, а также предположить, что температура ниже или равна комнатной, то скорость звука определяется по следующей формуле, которая используется в этом калькуляторе:

Здесь γ — рассматриваемый ниже показатель адиабаты, R = 287,052 Дж·кг⁻¹·K⁻¹ — удельная газовая постоянная и T — абсолютная температура воздуха в кельвинах.

Показатель адиабаты газа, называемый также коэффициентом Пуассона и фактором изоэнтропийного расширения, обозначается греческой буквой γ (гамма) и является отношением теплоемкости при постоянном давлении Cp к теплоемкости при постоянном объеме Cv

Для сухого воздуха при 20 °C, γ=1,40.

Зависимость силы тяжести от высоты

Зависимость гравитационного ускорения Gh от высоты h приблизительно определяется следующей формулой, которая используется в этом калькуляторе:

Здесь

g0 — стандартное ускорение свободного падения. Например, ускорение свободного падения на максимальной для этого калькулятора геометрической высоте 86 км равно Gh = 0,9874·g0, то есть разница очень мала.

Зависимость температуры от высоты

В тропосфере температура воздуха уменьшается с увеличением высоты. В Международной стандартной атмосфере, Стандартной атмосфере США 1976 г. и ГОСТ 4401-81 скорость уменьшения температуры (вертикальный температурный градиент) равна 6,5 К/км от уровня моря до 11 км или 36089 футов. В тропопаузе (слое атмосферы от 11 до 20 км или 65617 футов) температура постоянная и равна to –56.5 °C (–69.7 °F или 216.7 K). В ионосфере, от 20 до 32 км или 104987 футов скорость уменьшения температуры (вертикальный градиент) равна 1,0 K/км. Температурные градиенты приведены ниже в таблице до высоты 86 км (геопотенциальной высоты 84,85 км). Таблица приводится по документу USSA 1796.

Таблица 1

Слой атмосферыДиапазон геопотенциальных высот (км)Номер диапазона, bБазовая геопотенциальная высота над средним уровнем моря, Hb (км)Базовое статическое давление, Pb (Па)Базовая температура, Tb (K)Базовый вертикальный температурный градиент на километр геопотенциальной высоты Lb (K/км)
Тропосфера0–1100101325288,15-6,5
Тропопауза (стратосфера I)11–2011122632,06216,650
Стратосфера II20–322205474,889216,65+1,0
Стратосфера III32–47332868,0187228,65+2,8
Стратопауза (мезосфера I)47–51447110,9063270,650
Мезосфера II51–7155166,93887270,65-2,8
Мезосфера III71–84,96713,95642214,65-2,0
  784,8520,3734186,87

«Базовый» в этой таблице означает величину на нижней границе диапазона высот. Отрицательный градиент означает уменьшение температуры с высотой, а положительный — ее увеличение. Большее значение градиента означает, что при увеличении высоты воздух охлаждается (нагревается) сильнее.

Для определения зависимости температуры от высоты:

  • определите геопотенциальную высоту по геометрической высоте;
  • определите номер интервала, b;
  • определите температуру TM на геопотенциальной высоте H от поверхности до 84,85 км с помощью семи последовательных линейных уравнений в различных интервалах высоты. Для этого вставьте в формулу ниже значения из таблицы 1

Здесь

Hb — базовая геопотенциальная высота (Табл. 1),

Tb — базовая температура,

Lb базовый вертикальный температурный градиент

Температура TM называется молекулярной температурой, определяемой как

Здесь T — кинетическая температура, то есть температура воздуха, которую обычно измеряют термометром. Она является функцией скорости движения молекул газа в земной атмосфере. M0 — молекулярная масса воздуха на уровне моря и MH — молекулярная масса воздуха на высоте H. На высотах до 100 км молекулярная масса воздуха остается постоянной, поэтому молекулярная температура равна кинетической температуре.

Отклонение температуры от стандартного значения. Конечно, реальная атмосфера никогда не соответствует стандартной. Изменения температуры влияют на плотность воздуха и, следовательно, на его давление и вес. В холодном воздухе давление уменьшается с высотой быстрее, чем в горячем. В жаркий день вся атмосфера и график зависимости температуры от высоты будут смещены (см. график ниже), так как отклонение температуры будет прибавлено к кривой температуры и летчики, которые используют барометрические приборы для измерения высоты полета должны помнить, что в жаркий день геометрическая высота их самолета будет больше, чем показанная на высотомере. И, наоборот, в холодный день реальная высота будет меньше, чем показанная на высотомере.

Зависимость температуры, плотности и давления воздуха от геопотенциальной высоты. Синий график — давление, фиолетовый — плотность при отклонении температуры от стандартной +20 °C, оранжевый — плотность при отклонении 0 °C, зеленый — температура, отклонение +20 °C, красный — температура, отклонение 0 °C.

Если самолет входит в зону, где температура значительно ниже, чем стандартная по ISA (+15 °C на уровне моря), высотомер покажет завышенную высоту, что опасно. Чтобы учесть отклонение от стандартной атмосферы, в калькуляторе имеется поле Отклонение температуры от стандартного значения, которое можно использовать, например, для анализа или прогноза летно-технических характеристик воздушного судна в жаркий день. Следует помнить, что отклонение температуры — это температурный интервал и при преобразовании градусов Цельсия или кельвинов в градусы Фаренгейта или Ранкина нужно использовать только масштабирующий коэффициент 1 К = 1 °C = 9/5 °F = 1. 8 °F = 1.8 °R. Для преобразования можно также воспользоваться нашим калькулятором температурных интервалов.

Зависимость давления от высоты

В ISA, USSA и ГОСТ 4401-81 для моделирования зависимости давления и плотности воздуха от высоты используется барометрическая формула и данные таблицы 1. Для определения зависимости давления от высоты в различных слоях атмосферы используются два выражения.

Если базовый вертикальный градиент температуры Lb нулевой, то используется формула

Если же базовый вертикальный градиент температуры Lb отличен от нуля, то используется формула

или

В этих уравнениях все величины с индексом b берутся из таблицы 1:

Pb — базовое статическое давление в слое b в паскалях

Tb — базовая температура в слове b в кельвинах

Lb — базовый вертикальный градиент температуры в слое b в К/м

Hb — базовая геопотенциальная высота слоя b в метрах

H — геопотенциальная высота над уровнем моря в метрах

R* = 8,31432·10³ Н м кмоль⁻¹ K⁻¹ — универсальная газовая постоянная

g0 = 9,80665 м/с² — гравитационное ускорение

M = 0. 0289644 кг/моль — молярная масса земной атмосферы

TM — молекулярная температура на высоте H, определенная выше:

Плотность воздуха

Плотность воздуха — это масса воздуха на единицу объема. Она обозначает греческой буквой ρ и измеряется в in кг/м³ в СИ или фунт/фут³ в традиционных единицах. В ISA и USSA плотность воздуха при стандартном давлении 1013,25 гПа и температуре 15 °С равна 1,225 кг/м³ или 0,0765 фунт/фут³. На плотность воздуха влияет не только температура и давление, но также и количество воды в воздухе. Чем больше водяного пара содержится в воздухе тем ниже его плотность.

Плотность воздуха зависит от температуры и давления. При «стандартных» температуре и давлении значение плотности воздуха зависит от используемого стандарта. В Международной стандартной атмосфере (ISA) плотность сухого воздуха определяется как 1,225 кг/м³ или 0,0765 фунт/фут³. Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) определяет стандартную плотность сухого воздуха иначе: она равна 1,2754 кг/м³ or 0,0796 фунт/фут³ при 1000 гПа и 0 °C.

В этом калькуляторе мы рассматриваем только сухой воздух. Плотность сухого воздуха ρ рассчитывается с использованием идеального газа с учетом давления, определенного для данной высоты по следующей формуле:

Здесь:

p — абсолютное давление в паскалях (Па),

T — абсолютная температура воздуха в кельвинах (K) и

R = 287,052 Дж·кг⁻¹·K⁻¹ — удельная газовая постоянная.

Отметим, что поскольку мы рассматриваем воздух как идеальный газ, не содержащий влаги, результат наших расчетов является теоретическим приближением. Наиболее точные результаты получается при низких температурах и давлениях (то есть на больших высотах).

Автор статьи: Анатолий Золотков

Кипение жидкостей. Зависимость температуры кипения от давления | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко

Если жидкость получает теплоту, то она будет нагреваться и через некоторое время начнет кипеть. По наблюдениям этот про­цесс сопровождается образованием в объеме жидкости пузырьков насыщенного пара. С повышением температуры их количество на стенках сосуда возрастает, а размеры уве­личиваются. При определенной температуре давление пара в пузырьках становится рав­ным давлению в жидкости, и они под дей­ствием силы Архимеда начинают всплывать. Когда такой пузырек достигает поверхности жидкости, он лопается и выбрасывает пар наружу.

Кипение — это внут­реннее парообразование, которое происходит во всем объеме жидкости при температуре, когда давление насыщенного пара равно дав­лению в жидкости.

Установлено, что при кипении темпе­ратура жидкости остается постоянной — при достижении температуры кипения все пре­доставленное количество теплоты идет на парообразование. Если жидкость не получает теплоту, кипение прекратится, поскольку не будет поступать энергия для внутреннего парообразования.

Кипение осуществляется при температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно давлению в жидкости.

Рис. 3.3. Зависимость температуры ки­пения воды от давления

Каждое вещество имеет собственную тем­пературу кипения. Очевидно, что ее значение определяется давлением насыщенного пара при данной температуре, поскольку кипение наступает тогда, когда давление насыщенного пара уравнивается с давле­нием в жидкости. Поэтому температура кипения жидкостей зависит от внешнего давления — чем оно выше, тем выше долж­на быть температура кипения, и наоборот. Графически зависимость температуры ки­пения воды от давления изображена на рис. 3.3.

Это подтверждается на практике. Так, в паровых котлах, где давление может пре­вышать 1,5 • 106 Па (15 атм), вода не кипит даже при 200 °C; на высокогорье, где давле­ние намного меньше, чем нормальное ат­мосферное, температура кипения воды бу­дет ниже 100 °C. Например, на вершине Говерлы (2062 м) вода будет кипеть при 90 °C, а на Эвересте (8848 м) температура кипения воды будет менее 70 °C.

При нормальном давлении жид­кий аммиак кипит при -33 °C, вода — при 100 °C, ртуть — при 357 °C.

Это свойство жидкостей широко исполь­зуют в разных технологических процессах. Например, в процессе нефтепереработки для разъединения нефтепродуктов — бензина, ма­зута и масел, имеющих разную температуру кипения; при сахароварении (благодаря по­ниженному давлению сироп кипит при низкой температуре, и поэтому сахар не пригорает). Материал с сайта http://worldofschool.ru

Чтобы вычислить количество теп­лоты, необходимой для кипе­ния, следует учитывать: а) теп­лоту нагревания жидкости до тем­пературы кипения Q1; б) теп­лоту парообразования Q2: Q = Q1 + Q2.

Таким образом, все жидкости имеют по­стоянную температуру кипения, которая за­висит от рода вещества и внешнего дав­ления. Чтобы кипение продолжалось, не­обходимо жидкость нагреть до температуры кипения и продолжать нагревать ее, предо­ставляя количество теплоты, необходимое для парообразования:

Q = cmΔt + rm.

На этой странице материал по темам:
  • Температура кипения мазута в зависимости от давления

  • Температура кипения аммиака в зависимости от давления

  • Температура кипения воды и аммиака

  • Зависимость температуры кипения криогенных жидкостей от давления

  • Граффическая зависимость т кипения от р

Вопросы по этому материалу:
  • Чем отличается кипение от испарения?

  • При каких условиях происходит кипение?

  • От чего зависит температура кипения? Где используют это свойство жидкостей?

  • Будет ли кипеть вода в стакане, который находится в кастрюле с кипятком? А спирт?

Ученые описали зависимость артериального давления от освещения

Ученые из ТюмГУ оценили влияние физической активности, сна и света на суточные ритмы работы сердечно-сосудистой системы и температуру тела. Результаты проведенного исследования опубликованы в международном издании The Journal of Biological and Medical Rhythm Research, сообщает РИА Новости.

Все процессы, протекающие в человеческом организме, подчинены ритмам, в том числе суточным (или циркадным). Исследователи из ТюмГУ под руководством профессоров Алексея Дурова и Николая Прокопьева совместно с Дитмаром Вайнертом (Германия) подробно изучили зависимость циркадных ритмов от нескольких факторов. 

Ученые случайным образом распределили 173 испытуемых в возрасте 17-24 лет по трем группам. Ключевым был показатель интенсивности и режима освещенности. В первой группе «световой день» совпадал со стандартным рабочим графиком (около 400 люксов в дневное время, с девяти утра до пяти вечера). Во второй свет горел на протяжении всего эксперимента. В третьей испытуемые оставались практически в полной темноте. В эксперименте использовалось искусственное освещение, потому что наши биологические часы реагируют на искусственный свет интенсивностью около 400 люксов как на обычный дневной.  

Авторы исследования фиксировали влияние двигательной активности и режима сна на артериальное давление, частоту сердцебиения и температуру тела. Показатели снимали с полудня каждые два часа в течение суток.

Физическая активность была минимальной, а питание распределяли равномерно в течение дня — кормили «подопытных» малыми порциями каждые два часа. Полученные данные сравнили с результатами амбулаторного мониторинга организма в повседневных условиях (контрольная группа).

Артериальное давление и сердечный ритм испытуемых отличались от тех же параметров людей контрольной группы. Также была выявлена зависимость этих параметров от сна, уровня активности и освещенности. График зависимости температуры тела от режима освещения изменился незначительно. Но все же в первой группе эффект «вечернего» снижения температуры был более выражен.

Изменение давления в разных группах было более значительным. В первой, с естественным уровнем освещения, систолическое давление (измеряется в артериях в момент, когда сердце сжимается и выталкивает в них кровь) оказалось по сравнению контрольной группой ниже в дневное время и выше — в ночное. Аналогичная ситуация наблюдалась с диастолическим давлением (измеряется в момент расслабления сердечной мышцы), но здесь в ночное время изменения оказались более выражены.

Исследования во второй группе показали, что постоянный свет, действующий в ночные часы, не влияет на сердечный ритм и повышает прежде всего систолическое давление, а диастолическое — в меньшей степени и только в течение коротких интервалов времени.

«Мы выяснили, что физическая активность существенно повышает систолическое, но не диастолическое давление по сравнению с исходным ритмом. Сон, напротив, снижает только диастолическое давление. Различная (и зависящая от пола) ответная реакция давления и частоты сердечных сокращений отражает фундаментальные особенности регуляции суточных ритмов сердечно-сосудистой системы», — комментирует профессор кафедры управления физической культурой и спортом ТюмГУ Алексей Дуров.

По словам авторов исследования, полученные результаты важны для разработки нормативов по суточной динамике артериального давления и частоты сердечных сокращений. Кроме того, они помогут правильно интерпретировать нарушения этой динамики и совершенствовать подходы к их профилактике и лечению.

Зависимость температуры кипения воды от давления формула. Зависимость температуры кипения жидкости от давления. Кипение дистиллированной воды

“И умный человек должен иногда задумываться” Геннадий Малкин

В быту, на примере работы автоклава, можно проследить зависимость температуры кипения воды от давления. Допустим, для приготовления продукта и уничтожения всей опасной живности, включая споры ботулизма, нам необходима температура в 120 °С. В простой кастрюле такую температуру не получить, вода просто закипит при 100°С. Все верно, при атмосферном давлении 1 кгс/см² (760 мм.рт.ст.) вода будет кипеть при 100°С. Одним словом, нам надо из кастрюли сделать герметическую емкость, то есть автоклав. По таблице определяем давление, при котором вода закипит при 120 °С. Это давление равно 2 кгс/см². Но это абсолютное давление, а нам надо манометрическое, большинство манометров показывает избыточное давление. Поскольку абсолютное давление равно сумме избыточного (Р изб.) и барометрического (Р бар.) т.е. Р абс. = Р изб. + Р бар, то избыточное давление в автоклаве должно быть не меньше Р изб = Р абс. – Р бар. = 2-1=1 кгс/см 2 . Что мы и наблюдаем на вышеприведенном рисунке. Принцип работы заключается в том, что из-за закачивания избыточного давления 0,1 МРа. при нагреве увеличивается температура стерилизации консервируемых продуктов до 110-120°С, причем вода внутри автоклава не закипает.

Зависимость температуры кипения воды от давления представлена таблицей В.П.Вукаловича

Таблица В.П.Вукаловича

Р t i / i // r
0,010 6,7 6,7 600,2 593,5
0,050 32,6 32,6 611,5 578,9
0,10 45,5 45,5 617,0 571,6
0,20 59,7 59,7 623,1 563,4
0,30 68,7 68,7 626,8 558,1
0,40 75,4 75,4 629,5 554,1
0,50 80,9 80,9 631,6 550,7
0,60 85,5 85,5 633,5 548,0
0,70 89,5 89,5 635,1 545,6
0,80 93,0 93. 1 636,4 543,3
0,90 96,2 96,3 637,6 541,3
1,0 99,1 99,2 638,8 539,6
1,5 110,8 111,0 643,1 532,1
2,0 119,6 120,0 646,3 526,4
2,5 126,8 127,2 648,7 521,5
3,0 132,9 133,4 650,7 517,3
3,5 138,2 138,9 652,4 513,5
4,0 142,9 143,7 653,9 510,2
4,5 147,2 148,1 655,2 507,1
5,0 151,1 152,1 656,3 504,2
6,0 158,1 159,3 658,3 498,9
7,0 164,2 165,7 659,9 494,2
8,0 169,6 171,4 661,2 489,8

Р – абсолютное давление в ат, кгс/см 2 ; t – температура в о С; i / – энтальпия кипящей воды, ккал/кг; i // – энтальпия сухого насыщенного пара, ккал/кг; r – скрытая теплота парообразования, ккал/кг.

Зависимость температуры кипения воды от давления прямопропорциональная, то есть чем больше давление, тем больше и температура кипения. Для лучшего понимания данной зависимости, вам предлагается ответить на следующие вопросы:

1. Что такое перегретая вода? Какая максимальная температура воды возможна в вашей котельной?

2. Чем определяется давление, при котором работает ваш водогрейный котел?

3. Приведите примеры использования зависимости температуры кипения воды от давления в вашей котельной.

4. Причины гидравлических ударов в водяных тепловых сетях. Почему слышится потрескивание в местных системах отопления частного дома и как его избежать?

5. И наконец, что такое скрытая теплота парообразования? Почему мы испытываем, при определенных условиях, в Русской бане непереносимый жар и покидаем парную. Хотя температура в парной при этом не более 60 о С.

Использование явления охлаждения жидкости при ее испарении; зависимости температуры кипения воды от давления.

При парообразовании вещество переходит из жидкого состояния в газообразное (пар). Существуют два вида парообразования: испарение и кипение.

Испарение — это парообразование, происходящее со свободной поверхности жидкости.

Как происходит испарение? Мы знаем, что молекулы любой жидкости находятся в непрерывном и беспорядочном движении, причем одни из них движутся быстрее, другие — медленнее. Вылететь наружу им мешают силы притяжения друг к другу. Если, однако, у поверхности жидкости окажется молекула с достаточно большой кинетической энергией, то она сможет преодолеть силы межмолекулярного притяжения и вылетит из жидкости. То же самое повторится с другой быстрой молекулой, со второй, третьей и т. д. Вылетая наружу, эти молекулы образуют над жидкостью пар. Образование этого пара и есть испарение.

Поскольку при испарении из жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия оставшихся в жидкости молекул становится все меньше и меньше. В результате этоготемпература испаряющейся жидкости понижается : жидкость охлаждается. Именно поэтому, в частности, человек в мокрой одежде чувствует себя холоднее, чем в сухой (особенно при ветре).

В то же время всем известно, что если налить воду в стакан и оставить на столе, то, несмотря на испарение, она не будет непрерывно охлаждаться, становясь все более и более холодной, пока не замерзнет. Что же этому мешает? Ответ очень простой: теплообмен воды с окружающим стакан теплым воздухом.

Охлаждение жидкости при испарении более заметно в том случае, когда испарение происходит достаточно быстро (так что жидкость не успевает восстановить свою температуру благодаря теплообмену с окружающей средой). Быстро испаряются летучие жидкости, у которых силы межмолекулярного притяжения малы, например эфир, спирт, бензин. Если капнуть такой жидкостью на руку, мы ощутим холод. Испаряясь с поверхности руки, такая жидкость будет охлаждаться и отбирать от нее некоторое количество теплоты.

Быстроиспаряющиеся вещества находят широкое применение в технике. Например, в космической технике такими веществами покрывают спускаемые аппараты. При прохождении через атмосферу планеты корпус-аппарата в результате трения нагревается, и покрывающее его вещество начинает испаряться. Испаряясь, оно охлаждает космический аппарат, спасая его тем самым от перегрева.

Охлаждение воды при ее испарении используется также в приборах, служащих для измерения влажности воздуха,- психрометрах (от греческого «психрос» — холодный). Психрометр состоит из двух термометров. Один из них (сухой) показывает температуру воздуха, а другой (резервуар которого обвязан батистом, опущенным в воду) — более низкую температуру, обусловленную интенсивностью испарения с влажного батиста. Чем суше воздух, влажность которого измеряется, тем сильнее испарение и потому тем ниже показания смоченного термометра. И наоборот, чем больше влажность воздуха, тем менее интенсивно идет испарение и потому тем более высокую температуру показывает этот термометр. На основе показаний сухого и увлажненного термометров с помощью специальной (психрометрической) таблицы определяют влажность воздуха, выраженную в процентах. Наибольшая влажность составляет 100% (при такой влажности воздуха на предметах появляется роса). Для человека наиболее благоприятной считается влажность в пределах от 40 до 60%.

С помощью простых опытов легко установить, что скорость испарения увеличивается с ростом температуры жидкости, а также при увеличении площади ее свободной поверхности и при наличии ветра.

Почему при наличии ветра жидкость испаряется быстрее? Дело в том, что одновременно с испарением на поверхности жидкости происходит и обратный процесс — конденсация . Конденсация происходит из-за того, что часть молекул пара, беспорядочно перемещаясь над жидкостью, снова возвращается в нее. Ветер же уносит вылетевшие из жидкости молекулы и не дает им возвращаться назад.

Конденсация может происходить и тогда, когда пар не соприкасается с жидкостью. Именно конденсацией, например, объясняется образование облаков: молекулы водяного пара, поднимающегося над землей, в более холодных слоях атмосферы группируются в мельчайшие капельки воды, скопления которых и представляют собой облака. Следствием конденсации водяного пара в атмосфере являются также дождь и роса.

Зависимость температуры кипения от давления

Температура кипения воды равна 100°С; можно подумать, что это неотъемлемое свойство воды, что вода,где бы и в каких условиях она ни находилась, всегда будет кипеть при 100°С.

Но это не так, и об этом прекрасно осведомлены жители высокогорных селений.

Вблизи вершины Эльбруса имеется домик для туристов и научная станция. Новички иногда удивляются, «как трудно сварить яйцо в кипятке» или «почему кипяток не обжигает». В этих условиях им указывают, что вода кипит на вершине Эльбруса уже при 82°С.

В чем же тут дело? Какой физический фактор вмешивается в явление кипения? Какое значение имеет высота над уровнем моря?

Этим физическим фактором является давление, действующее на поверхность жидкости. Не нужно забираться на вершину горы, чтобы проверить справедливость сказанного.

Помещая подогреваемую воду под колокол и накачивая или выкачивая оттуда воздух, можно убедиться, что температура кипения растет при возрастании давления и падает при его уменьшении.

Вода кипит при 100°С только при определенном давлении — 760 мм рт. ст. (или 1 атм).

Кривая температуры кипения в зависимости от давления показана на рис. 4.2. На вершине Эльбруса давление равно 0,5 атм, этому давлению и соответствует температура кипения 82°С.

Рис. 4.2

А вот водой, кипящей при 10-15 мм рт. ст., можно освежиться в жаркую погоду. При этом давлении температура кипения упадет до 10-15°С.

Можно получить даже «кипяток», имеющий температуру замерзающей воды. Для этого придется снизить давление до 4,6 мм рт. ст.

Интересную картину можно наблюдать, если поместить открытый сосуд с водой под колокол и откачивать воздух. Откачка заставит воду закипеть, но кипение требует тепла. Взять его неоткуда, и воде придется отдать свою энергию. Температура кипящей воды начнет падать, но так как откачка продолжается, то падает и давление. Поэтому кипение не прекратится, вода будет продолжать охлаждаться и в конце концов замерзнет.

Такое кипение холодной воды происходит не только при откачке воздуха. Например, при вращении гребного корабельного винта давление в быстро движущемся около металлической поверхности слое воды сильно падает и вода в этом слое закипает, т. е. в ней появляются многочисленные наполненные паром пузырьки. Это явление называется кавитацией (от латинского слова cavitas — полость).

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения. А увеличивая его? График, подобный нашему, отвечает на этот вопрос. Давление в 15 атм может задержать кипение воды, оно начнется только при 200°С, а давление в 80 атм заставит воду закипеть лишь при 300°С.

Итак, определенному внешнему давлению соответствует определенная температура кипения. Но это утверждение можно и «перевернуть», сказав так: каждой температуре кипения воды соответствует свое определенное давление. Это давление называется упругостью пара.

Кривая, изображающая температуру кипения в зависимости от давления, является одновременно и кривой упругости пара в зависимости от температуры.

Цифры, нанесенные на график температуры кипения (или на график упругости пара), показывают, что упругость пара меняется очень резко с изменением температуры. При 0°С (т. е. 273 К) упругость пара равна 4,6 мм рт. ст., при 100°С (373 К) она равна 760 мм рт. ст., т. е. возрастает в 165 раз. При повышении температуры вдвое (от 0°С, т. е. 273 К, до 273°С, т. е. 546 К) упругость пара возрастает с 4,6 мм рт. ст. почти до 60 атм, т. е. примерно в 10 000 раз.

Поэтому, напротив, температура кипения меняется с давлением довольно медленно. При изменении давления вдвое от 0,5 атм до 1 атм температура кипения возрастает от 82°С (355 К) до 100°С (373 К) и при изменении вдвое от 1 до 2 атм — от 100°С (373 К) до 120°С (393 К).

Та же кривая, которую мы сейчас рассматриваем, управляет и конденсацией (сгущением) пара в воду.

Превратить пар в воду можно либо сжатием, либо охлаждением.

Как во время кипения, так и в процессе конденсации точка не сдвинется с кривой, пока превращение пара в воду или воды в пар не закончится полностью. Это можно сформулировать еще и так: в условиях нашей кривой и только при этих условиях возможно сосуществование жидкости и пара. Если при этом не подводить и не отнимать тепла, то количества пара и жидкости в закрытом сосуде будут оставаться неизменными. Про такие пар и жидкость говорят, что они находятся в равновесии, и пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным.

Кривая кипения и конденсации имеет, как мы видим, еще один смысл: это кривая равновесия жидкости и пара. Кривая равновесия делит поле диаграммы, на две части. Влево и вверх (к большим температурам и меньшим давлениям) расположена область устойчивого состояния пара. Вправо и вниз — область устойчивого состояния жидкости.

Кривая равновесия пар — жидкость, т. е. кривая зависимости температуры кипения от давления или, что то же самое, упругости пара от температуры, примерно одинакова для всех жидкостей. В одних случаях изменение может быть несколько более резким, в других — несколько более медленным, но всегда упругость пара быстро растет с увеличением температуры.

Уже много раз мы пользовались словами «газ» и «пар». Эти два слова довольно равноправны. Можно сказать: водяной газ есть пар воды, газ кислород есть пар кислородной жидкости. Все же при пользовании этими двумя словами сложилась некоторая привычка. Так как мы привыкли к определенному относительно небольшому интервалу температур, то слово «газ» мы применяем обычно к тем веществам, упругость пара которых при обычных температурах выше атмосферного давления. Напротив, о паре мы говорим, когда при комнатной температуре и давлении атмосферы вещество более устойчиво в виде жидкости.

Кипение — это парообразование, происходящее одновременно и с поверхности, и по всему объему жидкости. Оно состоит в том, что всплывают и лопаются многочисленные пузырьки, вызывая характерное бурление.

Как показывает опыт, кипение жидкости при заданном внешнем давлении начинается при вполне определенной и не изменяющейся в процессе кипения температуре и может происходить только при подводе энергии извне в результате теплообмена (рис. 1):

где L — удельная теплота парообразования при температуре кипения.

Механизм кипения: в жидкости всегда имеется растворенный газ, степень растворения которого понижается с ростом температуры. Кроме того, на стенках сосуда имеется адсорбированный газ. При нагревании жидкости снизу (рис. 2) газ начинает выделяться в виде пузырьков у стенок сосуда. В эти пузырьки происходит испарение жидкости. Поэтому в них, кроме воздуха, находится насыщенный пар, давление которого с ростом температуры быстро увеличивается, и пузырьки растут в объеме, а следовательно, увеличиваются действующие на них силы Архимеда. Когда выталкивающая сила станет больше силы тяжести пузырька, он начинает всплывать. Но пока жидкость не будет равномерно прогрета, по мере всплытия объем пузырька уменьшается (давление насыщенного пара уменьшается с понижением температуры) и, не достигнув свободной поверхности, пузырьки исчезают (захлопываются) (рис. 2, а), вот почему мы слышим характерный шум перед закипанием. Когда температура жидкости выравняется, объем пузырька при подъеме будет возрастать, так как давление насыщенного пара не изменяется, а внешнее давление на пузырек, представляющее собой сумму гидростатического давления жидкости, находящейся над пузырьком, и атмосферного, уменьшается. Пузырек достигает свободной поверхности жидкости, лопается, и насыщенный пар выходит наружу (рис. 2, б) — жидкость закипает. Давление насыщенного пара при этом в пузырьках практически равно внешнему давлению.

Температура, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению на ее свободную поверхность, называется температурой кипения жидкости.

Так как давление насыщенного пара увеличивается с ростом температуры, а при кипении оно должно быть равно внешнему, то при увеличении внешнего давления температура кипения увеличивается.

Температура кипения зависит также от наличия примесей, обычно увеличиваясь с ростом концентрации примесей.

Если предварительно освободить жидкость от растворенного в ней газа, то ее можно перегреть, т. е. нагреть выше температуры кипения. Это неустойчивое состояние жидкости. Достаточно небольших сотрясений и жидкость закипает, а ее температура сразу понижается до температуры кипения.

Кипение — процесс изменения агрегатного состояния вещества. Когда мы говорим о воде, то имеем в виду изменение жидкого состояния в парообразное. Важно отметить, что кипение — это не испарение, которое может протекать даже при комнатной температуре. Также не стоит путать с кипячением, что является процессом нагревания воды до определенной температуры. Теперь, когда мы разобрались с понятиями, можно определить, при какой температуре кипит вода.

Процесс

Сам процесс преобразования агрегатного состояния из жидкого в газообразное является сложным. И хотя люди этого не видят, существует 4 стадии:

  1. На первой стадии на дне нагреваемой емкости образуются небольшие пузырьки. Также их можно заметить по бокам или на поверхности воды. Они образуются из-за расширения воздушных пузырьков, которые всегда есть в трещинах емкости, где нагревается вода.
  2. На второй стадии объем пузырьков увеличивается. Все они начинают рваться к поверхности, так как внутри них находится насыщенный пар, который легче воды. При повышении температуры нагрева давление пузырьков возрастает, и они выталкиваются на поверхность благодаря известной силе Архимеда. При этом можно слышать характерный звук кипения, который образуется из-за постоянного расширения и уменьшения в размере пузырьков.
  3. На третьей стадии на поверхности можно видеть большое количество пузырьков. Это вначале создает помутнение воды. Данный процесс в народе называют «кипением белым ключом», и длится он короткий промежуток времени.
  4. На четвертой стадии вода интенсивно бурлит, на поверхности возникают большие лопающиеся пузыри, возможно появление брызг. Чаще всего брызги означают, что жидкость нагрелась до максимальной температуры. Из воды начнет исходить пар.

Известно, что вода кипит при температуре 100 градусов, которая возможна лишь на четвертой стадии.

Температура пара

Пар представляет собой одно из состояний воды. Когда он поступает в воздух, то, как и другие газы, оказывает на него определенное давление. При парообразовании температура пара и воды остаются постоянными до тех пор, пока вся жидкость не изменит свое агрегатное состояние. Это явление можно объяснить тем, что при кипении вся энергия расходуется на преобразование воды в пар.

В самом начале закипания образуется влажный насыщенный пар, который после испарения всей жидкости становится сухим. Если его температура начинает превышать температуру воды, то такой пар является перегретым, и по своим характеристикам он будет ближе к газу.

Кипение соленой воды

Достаточно интересно знать, при какой температура кипит вода с повышенным содержанием соли. Известно, что она должна быть выше из-за содержания в составе ионов Na+ и Cl-, которые между молекулами воды занимают область. Этим химический состав воды с солью отличается от обычной пресной жидкости.

Дело в том, что в соленой воде имеет место реакция гидратации — процесс присоединения молекул воды к ионам соли. Связь между молекулами пресной воды слабее тех, которые образуются при гидратации, поэтому закипание жидкости с растворенной солью будет происходить дольше. По мере роста температуры молекулы в воде с содержанием соли двигаются быстрее, но их становится меньше, из-за чего столкновения между ними осуществляются реже. В результате пара образуется меньше, и его давление из-за этого ниже, чем напор пара пресной воды. Следовательно, для полноценного парообразования потребуется больше энергии (температуры). В среднем для закипания одного литра воды с содержанием 60 граммов соли необходимо поднять градус кипения воды на 10% (то есть на 10 С).

Зависимости кипения от давления

Известно, что в горах вне зависимости от химического состава воды температура кипения будет ниже. Это происходит из-за того, что атмосферное давление на высоте ниже. Нормальным принято считать давление со значением 101.325 кПа. При нем температура закипания воды составляет 100 градусов по Цельсию. Но если подняться на гору, где давление составляет в среднем 40 кПа, то там вода закипит при 75.88 С. Но это не значит, что для приготовления еды в горах придется потратить почти вдвое меньше времени. Для термической обработки продуктов нужна определенная температура.

Считается, что на высоте 500 метров над уровнем моря вода будет закипать при 98.3 С, а на высоте 3000 метров температура закипания составит 90 С.

Отметим, что данный закон действует и в обратном направлении. Если поместить жидкость в замкнутую колбу, через которую не может проходить пар, то с ростом температуры и образованием пара давление в этой колбе будет расти, и закипание при повышенном давлении произойдет при более высокой температуре. Например, при давлении 490.3 кПа температура кипения воды составит 151 С.

Кипение дистиллированной воды

Дистиллированной называется очищенная вода без содержания каких-либо примесей. Ее часто применяют в медицинских или технических целях. С учетом того, что в такой воде нет никаких примесей, ее не используют для приготовления пищи. Интересно заметить, что закипает дистиллированная вода быстрее обычной пресной, однако температура кипения остается такой же — 100 градусов. Впрочем, разница по времени закипания будет минимальной — всего доли секунды.

В чайнике

Часто люди интересуются, при какой температуре кипит вода в чайнике, так как именно этими приборами они пользуются для кипячения жидкости. С учетом того, что атмосферное давление в квартире равно стандартному, а используемая вода не содержит солей и других примесей, которых там не должно быть, то и температура закипания также будет стандартной — 100 градусов. Но если вода будет содержать соль, то температура закипания, как мы уже знаем, будет выше.

Заключение

Теперь вы знаете, при какой температуре кипит вода, и как атмосферное давление и состав жидкости влияют на данный процесс. В этом нет ничего сложного, и подобную информацию дети получают еще в школе. Главное — запомнить, что со снижением давления понижается и температура кипения жидкости, а с его ростом увеличивается и она.

В интернете можно найти множество разных таблиц, где указывается зависимость температуры кипения жидкости от атмосферного давления. Они доступны всем и активно используются школьниками, студентами и даже преподавателями в институтах.

Поскольку давление насыщающего пара однозначно определяется температурой, а кипение жидкости наступает в тот момент, когда давление насыщающих паров этой жидкости равно внешнему давлению, температура кипения должна зависеть от внешнего давления. С помощью опытов легко показать, что при уменьшении внешнего давления температура кипения понижается, а при увеличении давления — повышается.

Кипение жидкости при пониженном давлении можно показать с помощью следующего опыта. В стакан наливают воду из водопровода и опускают в нее термометр. Стакан с водой помещают под стеклянный колпак вакуумной установки и включают насос. Когда давление под колпаком достаточно понизится, вода в стакане начинает кипеть. Так как на парообразование затрачивается энергия, то температура воды в стакане при кипении начинает понижаться, и при хорошей работе насоса вода наконец закерзает.

Нагревание воды до высоких температур осуществляют в котлах и автоклавах. Устройство автоклава показано на рис. 8.6, где К — предохранительный клапан, — рычаг, прижимающий клапан, М — манометр. При давлениях больше 100 атм воду нагревают до температуры выше 300 °С.

Таблица 8.2. Точки кипения некоторых веществ

Температура кипения жидкости при нормальном атмосферном давлении называется точкой кипения. Из табл. 8.1 и 8.2 вцдно, что давление насыщающих паров для эфира, воды и спирта в точке кипения равно 1,013 105 Па (1 атм).

Из изложенного выше следует, что в глубоких шахтах вода должна кипеть при температуре выше 100 °С, а в горных местностях — ниже 100 °С. Поскольку температура кипения воды зависит от высоты над уровнем моря, на шкале термометра вместо температуры можно указать ту высоту, на которой кипит вода при этой температуре. Определение высоты с помощью такого термометра называется гипсометрией.

Опыт показывает, что температура кипения раствора всегда выше, чем температура кипения чистого растворителя, и возрастает при увеличении концентрации раствора. Однако температура паров над поверхностью кипящего раствора равна температуре кипения чистого растворителя. Поэтому для определения температуры кипения чистой жидкости термометр лучше помещать не в жидкость, а в пары над поверхностью кипящей жидкости.

Процесс кипения тесно связан с наличием растворенного газа в жидкости. Если из жидкости удалить растворенный в ней газ, например, продолжительным кипячением, то можно нагревать эту жидкость до температуры, заметно превышающей температуру ее кипения. Такую жидкость называют перегретой. При отсутствии газовых пузырьков зарождению мельчайших пузырьков пара, которые могли бы стать центрами парообразования, препятствует лапласовское давление, которое при малом радиусе пузырька велико. Этим и объясняется перегрев жидкости. Когда она все же закипает, кипение происходит очень бурно.


Связь между давлением и температурой

Связь между давлением и температурой газа определяется законом Гей-Люссака о давлении и температуре. Этот закон гласит, что давление (P) фиксированной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально его температуре по Кельвину (T). Следовательно, когда давление в конкретной системе повышается, температура этой системы также повышается, и наоборот. Газовые законы описывают поведение газов в зависимости от давления, объема, температуры и количества.Газы — одно из состояний вещества, либо очень сильно сжатое, либо расширенное, чтобы заполнить большое пространство.

Ключевые области охвата

1. Что такое давление
— определение, давление газа
2. Что такое температура
— определение, измерение
3. Что такое связь между давлением и температурой
— гей -Закон Люссака

Ключевые термины: газ, закон Гей-Люссака, Кельвин, давление, температура

Что такое давление

Давление — это постоянная физическая сила, действующая на объект со стороны чего-либо, находящегося с ним в контакте.Он рассчитывается как сила, приходящаяся на единицу площади. Когда рассматривается закрытая газовая камера, окруженная вакуумом, давление, оказываемое газом на стенки камеры, зависит от трех факторов. Это количество газа в камере, объем камеры и температура газа. Когда другие параметры постоянны, давление внутри камеры прямо пропорционально количеству газа в камере; обратно пропорциональна объему камеры; она прямо пропорциональна температуре газа внутри камеры.Давление указано в рис. 1.

Рисунок 1: Давление

Атмосферное давление создается весом воздуха над нами. На уровне моря 10 5 Па.

Что такое температура

Температура – ​​это степень тепла, присутствующая в веществе или объекте. Он представляет собой внутреннюю энергию, содержащуюся в конкретной системе. Температуру можно измерить термометром, который откалиброван в различных единицах измерения.Шкала Цельсия является наиболее широко используемой шкалой для измерения температуры, которая обозначается в °C. Единицей измерения температуры в Международной системе единиц (СИ) является кельвин (К). Термометр показан на рис. 2 .

Рисунок 2: Термометр

При самой низкой теоретической температуре, равной абсолютному нулю, тепловое движение частиц в веществе минимально. Абсолютный ноль равен 0 К, а это -273,14 °С.

Какая связь между давлением и температурой

Связь между давлением и температурой описывается применительно к газам.Закон Гей-Люссака — это газовый закон, описывающий зависимость давления от температуры. В нем говорится, что при постоянном объеме давление данного количества определенного газа прямо пропорционально его температуре по Кельвину. Это можно записать как:

  • П ∝ Т или
  • P/T = k, где k — константа, или
  • P 1 /T 1 = P 2 /T 2

Рисунок 3: Зависимость между давлением и температурой

Когда температура определенной системы повышается, молекулы газа движутся быстрее, оказывая большее давление на стенку газового баллона.Это в плане увеличивает давление в системе. Если температура системы снижается, давление падает. Следовательно, при постоянном объеме давление конкретного газа прямо пропорционально температуре.

Заключение

Давление данного количества газа прямо пропорционально температуре данного объема. При повышении температуры в системе повышается и давление, и наоборот. Связь между давлением и температурой газа определяется законом Гей-Люссака.

Артикул:

1. «9.2 Соотношение давления, объема, количества и температуры: закон идеального газа». Химия , Доступно здесь.

Изображение предоставлено:

1. «Площадь силы давления» Клауса-Дитера Келлера — собственная работа (CC BY-SA 3.0) через Commons Wikimedia
2. «1134182» (CC0) через Pixabay

7.1: Температура и давление — Химия LibreTexts

Навыки для развития

  • Определение свойства температуры и давления
  • Определение и преобразование единиц измерения температуры и давления
  • Описать работу обычных приборов для измерения давления газа

Температура

Видео \(\PageIndex{1}\): Введение в температуру с точки зрения закона идеального газа, который мы рассмотрим позже в этом разделе.

Температура является интенсивным свойством. Единицей температуры в системе СИ является кельвин (К). Соглашение ИЮПАК состоит в том, чтобы использовать кельвины (все строчные буквы) для слова, K (прописные буквы) для символа единицы, и ни слово «градус», ни символ градуса (°). Градусы Цельсия (°C) также разрешены в системе СИ, причем как слово «градус», так и символ градуса используются для измерения Цельсия. Градусы Цельсия имеют ту же величину, что и градусы Кельвина, но две шкалы располагают свои нули в разных местах.Вода замерзает при 273,15 К (0 ° C) и кипит при 373,15 К (100 ° C) по определению, а нормальная температура человеческого тела составляет примерно 310 К (37 ° C).

Преобразование единиц измерения температуры

Мы используем слово «температура» для обозначения тепла или холода вещества. Одним из способов измерения изменения температуры является использование того факта, что большинство веществ расширяются при повышении их температуры и сжимаются при понижении температуры. Ртуть или спирт в обычном стеклянном термометре меняют свой объем при изменении температуры.Поскольку объем жидкости изменяется больше, чем объем стакана, мы можем видеть, как жидкость расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении.

Чтобы отметить шкалу термометра, нам нужен набор эталонных значений: Два наиболее часто используемых значения — это температура замерзания и кипения воды при заданном атмосферном давлении. По шкале Цельсия 0 °С соответствует температуре замерзания воды, а 100 °С — температуре кипения воды. Пространство между двумя температурами разделено на 100 равных интервалов, которые мы называем градусами.По шкале Фаренгейта точка замерзания воды определяется как 32 ° F, а температура кипения — как 212 ° F. Пространство между этими двумя точками на термометре Фаренгейта разделено на 180 равных частей (градусов).

Определение температурных шкал Цельсия и Фаренгейта, как описано в предыдущем абзаце, приводит к несколько более сложной взаимосвязи между значениями температуры по этим двум шкалам, чем для разных единиц измерения других свойств. Большинство единиц измерения для данного свойства прямо пропорциональны друг другу (y = mx).Используя знакомые единицы длины в качестве примера:

\[\mathrm{длина\: дюймы\: футы=\влево(\dfrac{1\: футы}{12\: дюймы}\справа)\умножить на длину\: дюймы\: дюймы}\]

где

  • y = длина в футах,
  • x = длина в дюймах и
  • константа пропорциональности, m, является коэффициентом преобразования.

Температурные шкалы Цельсия и Фаренгейта, однако, не имеют общей нулевой точки, поэтому связь между этими двумя шкалами является линейной, а не пропорциональной (\(y = mx + b\)).Следовательно, преобразование температуры из одной из этих шкал в другую требует большего, чем простое умножение на коэффициент преобразования m, оно также должно учитывать разницу в нулевых точках шкалы (\(b\)).

Линейное уравнение, связывающее температуры по Цельсию и по Фаренгейту, легко получить из двух температур, используемых для определения каждой шкалы.\circ F}+32)}\]

Как упоминалось ранее в этой главе, единицей измерения температуры в системе СИ является кельвин (К).В отличие от шкал Цельсия и Фаренгейта, шкала Кельвина представляет собой абсолютную температурную шкалу, в которой 0 (ноль) К соответствует самой низкой температуре, которая теоретически может быть достигнута. Открытие в начале 19 века взаимосвязи между объемом газа и температурой показало, что объем газа будет равен нулю при -273,15 ° C. В 1848 году британский физик Уильям Томпсон, позже принявший титул лорда Кельвина, предложил абсолютную температурную шкалу, основанную на этой концепции (дальнейшее рассмотрение этой темы содержится в главе этого текста, посвященной газам).\ circ C} = T _ {\ ce K} -273,15 \]

Число 273,15 в этих уравнениях определено экспериментально, поэтому оно не точно. На рисунке \(\PageIndex{1}\) показано соотношение между тремя температурными шкалами. Напомним, что мы не используем знак градуса при температурах по шкале Кельвина.\circ C}+273.2\,K\hspace{20px}(два\: значащие\: цифры)} \не число\]

Упражнение \(\PageIndex{2}\)

Преобразование 50 °F в °C и K.

Ответить

10 °С, 280 К

Давление

Земная атмосфера оказывает давление, как и любой другой газ. Хотя обычно мы не замечаем атмосферного давления, мы чувствительны к изменениям давления — например, когда ваши уши «хлопают» во время взлета и посадки во время полета или когда вы ныряете под воду.Давление газа создается силой, с которой молекулы газа сталкиваются с поверхностями объектов (рис. \(\PageIndex{2}\)). Хотя сила каждого столкновения очень мала, любая поверхность значительной площади испытывает большое количество столкновений за короткое время, что может привести к высокому давлению. Фактически, нормальное давление воздуха достаточно велико, чтобы раздавить металлический контейнер, если его не уравновешивает равное давление внутри контейнера.

Рисунок \(\PageIndex{2}\) : Атмосфера над нами оказывает большое давление на объекты на поверхности земли, примерно равное весу шара для боулинга, дающего площадь размером с человека миниатюра.

Атмосферное давление обусловлено весом столба молекул воздуха в атмосфере над объектом, например, автоцистерной. На уровне моря это давление примерно такое же, как у взрослого африканского слона, стоящего на коврике у двери, или у типичного шара для боулинга на ногте большого пальца. Это может показаться огромным количеством, и это так, но жизнь на Земле развивалась под таким атмосферным давлением. Если вы на самом деле посадите шар для боулинга на ноготь большого пальца, испытанное давление будет в два раза больше обычного, и ощущение будет неприятным.

 

Видео \(\PageIndex{2}\):  В этом коротком видеоролике представлена ​​впечатляющая иллюстрация атмосферного давления, на которой показан вагон железнодорожной цистерны, взрывающийся при снижении внутреннего давления.

Видео \(\PageIndex{3}\):  Кратко поясняется демонстрация этого явления в меньшем масштабе.

Давление определяется как сила, действующая на заданную площадь:

\[P=\dfrac{F}{A} \label{9.2.1}\]

Поскольку давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади (уравнение \ref{9.2.1}), давление может быть увеличено либо путем увеличения величины силы, либо путем уменьшения площади, на которую оно воздействует . Соответственно, давление может быть уменьшено либо на уменьшение силы, либо на увеличение площади.

Давайте применим определение давления (уравнение \ref{9.2.1}), чтобы определить, что с большей вероятностью провалится под тонкий лед на рисунке \(\PageIndex{3}\).— слон или фигурист?

Рисунок \(\PageIndex{3}\) : Хотя (а) вес слона велик, создавая очень большую силу на землю, (б) фигурист оказывает гораздо большее давление на лед из-за малая площадь поверхности ее коньков. (кредит а: модификация работы Гвидо да Роззе; кредит б: модификация работы Рёске Яги).

Большой африканский слон может весить 7 тонн, опираясь на четыре ноги, каждая из которых имеет диаметр около 1.2} \метка{9.2.3}\]

Несмотря на то, что слон более чем в сто раз тяжелее конькобежца, он оказывает меньше половины давления и, следовательно, с меньшей вероятностью упадет на тонкий лед. С другой стороны, если фигуристка снимает коньки и стоит босиком (или в обычной обуви) на льду, большая площадь, на которую приходится ее вес, значительно снижает оказываемое давление:

\[\mathrm{давление\: на\: человека\: фут=120\dfrac{lb}{фигурист}×\dfrac{1\: фигурист}{2\: футы}×\dfrac{1\: фут} {30\:дюйм^2}=2\:фунт/дюйм^2} \label{9.2.4}\]

Единицей давления в СИ является паскаль (Па), где 1 Па = 1 Н/м 2 , где Н — ньютон, единица силы определяется как 1 кг м/с 2 . Один паскаль — это небольшое давление; во многих случаях удобнее использовать единицы измерения килопаскаль (1 кПа = 1000 Па) или бар (1 бар = 100 000 Па). В Соединенных Штатах давление часто измеряется в фунтах силы на площади в один квадратный дюйм — фунтах на квадратный дюйм (psi) — например, в автомобильных шинах. Давление также можно измерить с помощью единицы атмосферы (атм), которая первоначально представляла собой среднее атмосферное давление на уровне моря примерно на широте Парижа (45 °).Таблица \(\PageIndex{1}\) содержит некоторую информацию об этих и некоторых других распространенных единицах измерения давления

.
Таблица \(\PageIndex{1}\): Единицы измерения давления
Наименование и сокращение блока Определение или отношение к другой единице Комментарий
паскаль (Па) 1 Па = 1 Н/м 2 рекомендованный блок ИЮПАК
килопаскаль (кПа) 1 кПа = 1000 Па  
фунтов на квадратный дюйм (psi) атмосферное давление на уровне моря ~14.7 фунтов на кв. дюйм  
атмосфера (атм) 1 атм = 101 325 Па атмосферное давление на уровне моря ~1 атм
бар (бар или б) 1 бар = 100 000 Па (точно) обычно используется в метеорологии
миллибар (мбар или мб) 1000 мбар = 1 бар  
дюймов ртутного столба (дюйм.ртутного столба) 1 дюйм ртутного столба = 3386 Па используется авиационной промышленностью, а также некоторые сводки погоды
торр \(\mathrm{1\: торр=\dfrac{1}{760}\:атм}\) назван в честь Евангелисты Торричелли, изобретателя барометра
миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.) 1 мм рт.ст. ~1 торр  

Пример \(\PageIndex{3}\): преобразование единиц давления

Национальная метеорологическая служба США сообщает о давлении как в дюймах ртутного столба, так и в миллибарах.Преобразовать давление 29,2 дюйма ртутного столба в:

  1. торр
  2. атм
  3. кПа
  4. мбар

Раствор

Это проблема преобразования единиц измерения. Соотношения между различными единицами измерения давления приведены в таблице \(\PageIndex{1}\).

  1. \(\mathrm{29,2\отменить{дюйм\: Hg}×\dfrac{25,4\отменить{мм}}{1\отменить{дюйм}} ×\dfrac{1\: торр}{1\отменить{мм \: рт.ст.}} =742\: торр}\)
  2. \(\mathrm{742\cancel{torr}×\dfrac{1\: atm}{760\cancel{torr}}=0.976\: атм}\)
  3. \(\mathrm{742\cancel{торр}×\dfrac{101,325\: кПа}{760\cancel{торр}}=98,9\: кПа}\)
  4. \(\mathrm{98,9\cancel{кПа}×\dfrac{1000\cancel{Па}}{1\cancel{кПа}} \times \dfrac{1\cancel{бар}}{100,000\cancel{Па} } \times\dfrac{1000\: мбар}{1\cancel{бар}}=989\: мбар}\)

Упражнение \(\PageIndex{3}\)

Типичное атмосферное давление в Канзас-Сити составляет 740 торр. Чему равно это давление в атмосферах, миллиметрах ртутного столба, килопаскалях и барах?


Ответить

0.974 атм; 740 мм рт.ст.; 98,7 кПа; 0,987 бар

Мы можем измерить атмосферное давление, силу, оказываемую атмосферой на земную поверхность, с помощью барометра (рис. \(\PageIndex{4}\)). Барометр представляет собой стеклянную трубку, которая закрыта с одного конца и заполнена нелетучей жидкостью, такой как ртуть, а затем перевернута и погружена в сосуд с этой жидкостью. Атмосфера давит на жидкость снаружи трубки, столб жидкости давит внутри трубки, а давление на поверхности жидкости внутри и снаружи трубки одинаково.Таким образом, высота жидкости в трубке пропорциональна давлению атмосферы.

Рисунок \(\PageIndex{4}\) : В барометре высота h столба жидкости используется для измерения атмосферного давления. Использование очень плотной жидкой ртути (слева) позволяет создавать барометры разумного размера, тогда как использование воды (справа) потребует барометра высотой более 30 футов.

Видео \(\PageIndex{2}\) : Изобретение барометра.

Если жидкость представляет собой воду, нормальное атмосферное давление будет поддерживать столб воды высотой более 10 метров, что довольно неудобно для изготовления (и считывания) барометра. Поскольку ртуть (Hg) примерно в 13,6 раза плотнее воды, ртутный барометр должен быть только \(\dfrac{1}{13,6}\) высотой, как водяной барометр — более подходящий размер. Стандартное атмосферное давление 1 атм на уровне моря (101 325 Па) соответствует ртутному столбу высотой около 760 мм (29,92 дюйма). Первоначально предполагалось, что торр будет единицей, равной одному миллиметру ртутного столба, но теперь он не соответствует точно.Давление, создаваемое жидкостью под действием силы тяжести, известно как гидростатическое давление, p :

.

где

  • \(h\) высота жидкости,
  • \(ρ\) — плотность жидкости, а
  • \(г\) — ускорение свободного падения.

Манометр — это устройство, похожее на барометр, которое можно использовать для измерения давления газа, находящегося в сосуде. Манометр с закрытым концом представляет собой U-образную трубку с одним закрытым плечом, другое плечо, которое соединяется с измеряемым газом, и нелетучей жидкостью (обычно ртутью) между ними.Как и в барометре, расстояние между уровнями жидкости в двух ответвлениях трубки ( ч на диаграмме) пропорционально давлению газа в сосуде. Манометр с открытым концом (Рисунок \(\PageIndex{5}\)) аналогичен манометру с закрытым концом, но одно его плечо открыто для атмосферы. В этом случае расстояние между уровнями жидкости соответствует разнице давлений между газом в сосуде и атмосферой.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Манометр можно использовать для измерения давления газа.(Разница) высоты между уровнями жидкости (h) является мерой давления. Ртуть обычно используется из-за ее большой плотности.

Применение: Измерение артериального давления

Артериальное давление измеряется с помощью устройства, называемого сфигмоманометром (греч. sphygmos = «пульс»). Он состоит из надувной манжеты для ограничения кровотока, манометра для измерения давления и метода определения момента начала кровотока и момента его прекращения (рис. \(\PageIndex{6}\)).С момента своего изобретения в 1881 году он был незаменимым медицинским устройством. Существует много типов сфигмоманометров: ручные, для которых требуется стетоскоп и которые используются медицинскими работниками; ртутные, используемые, когда требуется наибольшая точность; менее точные механические; и цифровые, которые можно использовать с небольшой подготовкой, но которые имеют ограничения. При использовании сфигмоманометра манжету надевают на плечо и надувают до полной блокировки кровотока, затем медленно отпускают.Когда сердце бьется, кровь, проталкиваемая по артериям, вызывает повышение давления. Это повышение давления, при котором начинается кровоток, составляет систолического давления — пикового давления в сердечном цикле. Когда давление в манжете равно артериальному систолическому давлению, кровь течет мимо манжеты, создавая слышимые звуки, которые можно услышать с помощью стетоскопа. За этим следует снижение давления, поскольку желудочки сердца готовятся к следующему сокращению. По мере того как давление в манжете продолжает снижаться, в конце концов звук перестает быть слышимым; это диастолическое давление — самое низкое давление (фаза покоя) в сердечном цикле.Единицы измерения артериального давления сфигмоманометра выражены в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Рисунок \(\PageIndex{6}\): (a) Медицинский работник готовится измерить артериальное давление пациента с помощью сфигмоманометра. (b) В типичном сфигмоманометре используется резиновая груша с клапаном для надувания манжеты и манометр с диафрагмой для измерения давления. (кредит а: модификация работы старшего сержанта Джеффри Аллена)

Как взаимосвязаны науки: метеорология, климатология и наука об атмосфере

На протяжении веков люди наблюдали за облаками, ветрами и осадками, пытаясь уловить закономерности и предсказать: когда лучше сажать и собирать урожай; безопасно ли отправляться в морское путешествие; и многое другое.Сейчас мы сталкиваемся со сложными проблемами, связанными с погодой и атмосферой, которые окажут серьезное влияние на нашу цивилизацию и экосистему. Несколько различных научных дисциплин используют химические принципы, чтобы помочь нам лучше понять погоду, атмосферу и климат. Это метеорология, климатология и наука об атмосфере. Метеорология изучает атмосферу, атмосферные явления и влияние атмосферы на погоду на Земле. Метеорологи стремятся понять и предсказать погоду в краткосрочной перспективе, что может спасти жизни и принести пользу экономике.Прогнозы погоды (рис. \(\PageIndex{7}\)) являются результатом тысяч измерений атмосферного давления, температуры и т. д., которые компилируются, моделируются и анализируются в метеорологических центрах по всему миру.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): Метеорологи используют карты погоды для описания и предсказания погоды. Области высокого (H) и низкого (L) давления оказывают большое влияние на погодные условия. Серые линии представляют места постоянного давления, известные как изобары.(кредит: модификация работы Национального управления океанических и атмосферных исследований)

С точки зрения погоды, системы низкого давления возникают, когда атмосферное давление на поверхности земли ниже, чем в окружающей среде: влажный воздух поднимается вверх и конденсируется, образуя облака. Движение влаги и воздуха в пределах различных погодных фронтов провоцирует большинство погодных явлений.

Атмосфера — это газовый слой, окружающий планету. Атмосфера Земли, толщина которой составляет примерно 100–125 км, состоит примерно из 78.1% азота и 21,0% кислорода, и могут быть далее подразделены на области, показанные на рисунке \(\PageIndex{8}\): экзосфера (наиболее удаленная от Земли, > 700 км над уровнем моря), термосфера (80–700 км над уровнем моря). км), мезосфера (50–80 км), стратосфера (второй нижний уровень нашей атмосферы, 12–50 км над уровнем моря) и тропосфера (до 12 км над уровнем моря, примерно 80% земной атмосферы). по массе и по слою, в котором происходит большинство погодных явлений). По мере того, как вы поднимаетесь выше в тропосфере, плотность воздуха и температура уменьшаются.

Рисунок \(\PageIndex{8}\): Атмосфера Земли состоит из пяти слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы.

Климатология — это изучение климата, усредненных погодных условий за длительные периоды времени с использованием атмосферных данных. Однако климатологи изучают закономерности и эффекты, происходящие в течение десятилетий, столетий и тысячелетий, а не более короткие временные рамки часов, дней и недель, как метеорологи.Наука об атмосфере — еще более широкая область, объединяющая метеорологию, климатологию и другие научные дисциплины, изучающие атмосферу.

Резюме

Видео \(\PageIndex{3}\) : Краткий обзор давления.

Газы оказывают давление, которое равно силе на единицу площади. Давление газа может быть выражено в единицах СИ паскаль или килопаскаль, а также во многих других единицах, включая торр, атмосферу и бар. Атмосферное давление измеряется с помощью барометра; другие давления газа могут быть измерены с использованием одного из нескольких типов манометров.\circ C}=\ce K-273.15\)

  • \(P=\dfrac{F}{A}\)
  • р = л.с.г
  • Глоссарий

    атмосфера (атм)
    единица давления; 1 атм = 101 325 Па
    бар
    (бар или б) единица измерения давления; 1 бар = 100 000 Па
    барометр
    прибор для измерения атмосферного давления
    Цельсия (°С)
    единица измерения температуры; вода замерзает при 0°C и кипит при 100°C по этой шкале
    по Фаренгейту
    единица измерения температуры; вода замерзает при 32 °F и кипит при 212 °F по этой шкале
    гидростатическое давление
    давление, создаваемое жидкостью под действием силы тяжести
    кельвин (К)
    СИ единица измерения температуры; 273.15 К = 0 ºC
    манометр
    Устройство, используемое для измерения давления газа, находящегося в контейнере
    паскаль (Па)
    Единица давления в системе СИ; 1 Па = 1 Н/м 2
    фунтов на квадратный дюйм (psi)
    единица давления, распространенная в США
    давление
    сила, действующая на единицу площади
    торр
    единица давления; \(\mathrm{1\: торр=\dfrac{1}{760}\,атм}\)

    Авторы

    • Пол Флауэрс (Университет Северной Каролины, Пембрук), Клаус Теопольд (Университет Делавэра) и Ричард Лэнгли (Стивен Ф.Государственный университет Остина) с участием авторов. Контент учебника, созданный OpenStax College, находится под лицензией Creative Commons Attribution License 4.0. Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/85abf193-2bd…[email protected]).

    • Аделаида Кларк, Орегонский технологический институт
    • Ускоренный курс Физика: Ускоренный курс является подразделением компании Complexly, и видео можно бесплатно транслировать в образовательных целях.
    • Ускоренный курс Химия: Ускоренный курс является подразделением компании Complexly, и видео можно бесплатно транслировать в образовательных целях.
    • Приверженность TED-Ed созданию уроков, которыми стоит поделиться, является продолжением миссии TED по распространению отличных идей. В растущей библиотеке анимаций TED-Ed на TED-Ed вы найдете тщательно подобранные образовательные видеоролики, многие из которых представляют собой результат сотрудничества талантливых педагогов и аниматоров, номинированных на веб-сайте TED-Ed.

    Обратная связь

    Хотите оставить отзыв об этом тексте? Кликните сюда.

    Нашли опечатку и хотите получить дополнительные баллы? Кликните сюда.

    газовых законов

    газовых законов

    Газовые законы

    Нижеследующее является содержанием лекции 18. В этой лекции мы рассмотрим газовые законы: Шарля, Бойля, Авагадро и Гей-Люссака, а также законы идеального и комбинированного газа.

     

    Законы свойств газа

    Существует 4 общих закона, связывающих между собой 4 основных характерных свойства газов. Каждый закон назван по имени его первооткрывателя.Хотя важно понимать отношения, охватываемые каждым законом, знание отправителя не так важно и станет излишним после введения комбинированного закона о газах. Так что сконцентрируйтесь на понимании взаимосвязей, а не на запоминании имен.

    Закон Чарльза — дает связь между объемом и температурой , если давление и количество газа поддерживаются постоянными :

    1) Если температура газа по шкале Кельвина увеличивается, объем газа увеличивается.(P, n Постоянная)
    2) Если температура газа по Кельвину уменьшается, объем газа уменьшается. (P, n Постоянная)

    Это означает, что объем газа прямо пропорционален его температуре по Кельвину. Подумайте об этом так: если вы увеличиваете объем газа и должны поддерживать постоянное давление, единственный способ добиться этого — повысить температуру газа.

    Расчеты с использованием закона Чарльза включают изменение либо температуры (T 2 ), либо объема (V 2 ) от известного начального количества каждого из них (V 1 и T 1 ):

     

    Закон Бойля — гласит, что объем данного количества газа при постоянной температуре изменяется обратно пропорционально приложенному давлению, когда температура и масса постоянны.

    Уменьшение объема газа означает, что молекулы чаще ударяются о стенки, увеличивая давление, и наоборот, если объем увеличивается, расстояние, которое молекулы должны пройти, чтобы удариться о стенки, увеличивается, и они реже ударяются о стенки, тем самым уменьшая давление. давление.

    Как и закон Чарльза, закон Бойля можно использовать для определения текущего давления или объема газа, если известны начальные состояния и одно из изменений:

    Закон Авагадро- Определяет соотношение между объемом и количеством газа в молях при постоянных давлении и температуре.

    Если количество газа в контейнере увеличивается, объем увеличивается. Если количество газа в сосуде уменьшается, объем уменьшается. Это предполагает, конечно, что контейнер имеет расширяемые стенки.

    Отношения снова прямо пропорциональны, поэтому уравнение для расчетов

     

    Закон Гей-Люссака гласит, что давление данного количества газа при постоянном объеме прямо пропорционально температуре Кельвина.

     

    Если вы нагреваете газ, вы даете молекулам больше энергии, чтобы они двигались быстрее. Это означает большее количество ударов о стенки контейнера и увеличение давления. И наоборот, если вы охладите молекулы, они замедлятся, и давление уменьшится.

    Чтобы рассчитать изменение давления или температуры с помощью закона Гей-Люссака, уравнение выглядит следующим образом:

    Чтобы немного поиграть с отношениями, попробуйте эту симуляцию.

    Закон идеального газа:

    Комбинация представленных выше законов порождает закон идеального газа:

    Добавление константы пропорциональности, называемой идеальной или универсальной газовой постоянной (R), завершает уравнение.

    Как видите, существует множество возможных единиц измерения константы. Единственная постоянная константа заключается в том, что температурная шкала во всем — КЕЛЬВИН.

    При использовании закона идеального газа для расчета любого свойства газа вы должны сопоставлять единицы измерения с газовой постоянной, которую вы решили использовать, и вы всегда должны указывать свою температуру в градусах Кельвина.

    Чтобы использовать уравнение, вам просто нужно определить, чего не хватает в вопросе, и перестроить уравнение, чтобы решить его.

    Типичный вопрос: 6,2 литра идеального газа содержится при давлении 3,0 атм и температуре 37 °C. Сколько из этих молей газа присутствует?

    Поскольку единицы газовой постоянной задаются с использованием атмосферы, молей и Кельвина, важно убедиться, что вы конвертируете значения, данные в других шкалах температуры или давления.Для этой задачи переведите температуру в градусах Цельсия в К, используя уравнение:

    .

    Т = °С + 273

    Т = 37 °С + 273
    Т = 310 К

    Теперь вы можете подставить значения. Решите для количества родинок

    н = ПВ/РТ

    n = (3,0 атм x 6,2 л) / (0,08206 л атм/моль К x 310 К)
    n = 0,75 моль

     

    Вот несколько практических задач на использование закона идеального газа: Практика

    Закон о комбинированном газе

    Выше я сказал, что запоминание всех уравнений для каждого из отдельных газовых законов станет неактуальным после введения последующих законов.Закон, о котором я говорил, это Закон о комбинированном газе:

    .

    Комбинированный газовый закон позволяет вам получить любое из необходимых соотношений, комбинируя все изменяемые части в законе об идеальном газе: а именно: давление, температуру и объем. R и количество молей не фигурируют в уравнении, поскольку они обычно постоянны и, следовательно, сокращаются, поскольку они появляются в равных количествах в обеих частях уравнения.

    Как видно выше, уравнение можно решить для любого из входящих в него параметров.Но что еще более важно, вы можете исключить из уравнения все, что останется постоянным.

    Например, если в вопросе говорилось, что система при 1 атм и объеме 2 литра претерпела изменение на 3,5 литра, рассчитайте новое давление, вы можете просто исключить температуру из уравнения и получить:

    P 2 = P 1 V 1 /V 2 = (1 атм)(2 л)/3,5 л) = 0,6 атм

    Поскольку в вопросе никогда не упоминается температура, мы можем предположить, что она остается постоянной и, следовательно, не учитывается в расчетах.Вы также должны подумать об ответе, который вы получите, с точки зрения того, что вы знаете о газах и о том, как они действуют. Мы увеличили объем, поэтому давление должно снизиться. Если проверить наш ответ, это кажется правильным, поскольку давление увеличилось с 1 атм до 0,6 атм.

    Таким образом, единственное уравнение, которое вам действительно нужно знать, это комбинированный газовый закон, чтобы рассчитать изменения свойств газа.

    Вот несколько практических задач с решениями: Практика

    Вот некоторые задачи для других газовых законов, которые вы можете вывести из комбинированного газового закона: Практика и КЛЮЧ

    Температура и давление

    Температура и давление

    Температура и давление

    Частицы, из которых состоит объект, могут иметь упорядоченную энергию и неупорядоченную энергия.Кинетическая энергия объекта в целом за счет его движения со скоростью v по отношению к наблюдателю является примером упорядоченной энергии. То кинетическая энергия отдельных атомов, когда они беспорядочно колеблются вокруг своих положение равновесия, является примером неупорядоченной энергии. Тепловая энергия – неупорядоченная энергия. То температура является мерой этого внутреннего, неупорядоченная энергия.

    Определение:

    Абсолютная температура любого вещества пропорциональна средней кинетической энергии, связанной с беспорядочное движение атомов или молекул, которые создают до вещества.

    В газе отдельные атомы и молекулы движутся беспорядочно. То абсолютная температура Т газа пропорциональна средней поступательная кинетическая энергия атома или молекулы газа, ½m 2 >. В единицах СИ пропорциональная константа равна (3/2)k B , где k B = 1,381*10 -23 Дж/К или 1,381*10 -23 Pa m 3 /K называется постоянной Больцмана .

    ½m 2 > = (3/2)k B T

    В твердом теле атомы могут случайным образом перемещаться относительно своих положений равновесия. Кроме того, твердое тело в целом может двигаться с заданной скоростью и иметь упорядоченная кинетическая энергия. Только кинетическая энергия, связанная со случайным движение атомов пропорционально абсолютной температуре твердого тела.

    В идеальных газах неупорядоченной энергией является вся кинетическая энергия, в молекулярной газов и твердых тел это сочетание кинетической и потенциальной энергии.Если мы моделируем атомы в твердом теле удерживаемыми вместе крошечными пружинками, тогда случайная внутренняя энергия каждого атома постоянно переключается между кинетической энергией и упругая потенциальная энергия.

    В классической физике нулевая абсолютная температура означает нулевую кинетическую энергию связано со случайным движением. Атомы в веществе не движутся уважение друг к другу. (Принцип неопределенности в квантовой механике требует наличия некоторой нулевой энергии.)   Комнатная температура не близкой к абсолютному нулю температуре. При комнатной температуре атомы и молекулы всех веществ имеют хаотическое движение.

    В единицах СИ шкала абсолютной температуры Кельвин (К). Шкала Кельвина идентична шкале по Цельсию ( o по Цельсию), за исключением того, что она сдвинута так, что 0 градусов Цельсия равно 273,15 К. У нас есть

    температура в o C = температура в K — 273.15.

    Чтобы преобразовать температуру в градусов по Фаренгейту , мы можем использовать

    .

    температура в o F = (9/5) * температура в o C + 32.

    Проблема:

    Средние атомные и молекулярные скорости (v rms = 2 > ½ = среднеквадратическая скорость) велики даже при низких температурах. Что такое v rms для атомов гелия при 5,00 К всего один градусов выше температуры сжижения гелия?

    Решение:

    • Обоснование:
      Абсолютная температура T газа пропорциональна средней поступательная кинетическая энергия атомов или молекул газа.
      ½m 2 > = (3/2)k B T.
    • Детали расчета:
      ½m 2 > = (3/2)k B T = (3/2)*1,381*10 -23 Дж/К*(5 К) = 1,04*10 -22 Дж
      2 > = (2*1,04*10 -22 Дж)/(4*1,66*10 -27 кг) = 3,13*10 4 м 2 2
      v среднеквадратичное значение = 177 м/с
      (масса 4 Атом He составляет 4 атомные единицы массы = 4*1.66*10 -27 кг.)

    Среднеквадратическая скорость атомов или молекул с массой m равна v rms = 2 > ½ = (3k B т/м) ½ .

    Проблема:

    Жидкий азот имеет температуру кипения -195,81 o C при атмосферном давление. Выразите эту температуру в
    (а) градусов по Фаренгейту и
    (б) Кельвин.

    Решение:

    • Обоснование:
      Преобразование единиц измерения
    • Детали расчета:
      (a) температура в o F = (9/5) * температура в или С + 32.
      температура в o F = [(9/5)(-195,81) + 32] o F = -320,5 o F.
      (b) температура в К = (-195,81+ 273,15) К = 77,34 К.
    Проблема:

    Одна из самых высоких температур, когда-либо зарегистрированных на поверхности Земли, была 134 o F в Долине Смерти, Калифорния.
    (a) Чему равна эта температура в o C?
    б) Чему равна эта температура в градусах Кельвина?

    Решение:

    • Обоснование:
      Преобразование единиц измерения
    • Детали расчета:
      (а) (5/9)*(температура в o F — 32)= температура в o C.
      (5/9)*(134 — 32) o С = 56,67 o C.
      (b) температура в o C + 273,15 = температура в K.
      (56,67 + 273,15) K = 329,82 K.
    Проблема:

    (a)  При какой температуре шкалы Фаренгейта и Цельсия имеют одинаковые значения? численная величина?
    б) При какой температуре шкалы Фаренгейта и Кельвина имеют одинаковые значения? численная величина?

    Решение:

    • Обоснование:
      Преобразование единиц измерения
    • Детали расчета:
      (a) температура в o F = (9/5) * температура в o C + 32.
      Х = (9/5) * Х + 32,
      Х — (9/5)Х = 32, -(4/5)Х = 32, Х = -5*32/4 = -40.
      -40 o F = -40 o C.
      (b) температура в o C = (5/9)*(температура в o F — 32) = температура в К — 273,15.
      (5/9)*(температура в o F — 32) + 273,15 = температура в K.
      (5/9)*(X — 32) + 273,15 = X,
      (Х — 32) + 491,67 = (9/5)Х,   459,67 = (4/5)Х, Х = 574,59.
      574,59 или F = 574.59 К.

    Какая связь между температурой и давлением?

    Предположим, у нас есть коллекция молекул газа в невесомости в контейнере объемом V при абсолютная температура Т. 

    Затем каждая молекула движется с постоянной скоростью по по прямой линии, пока не столкнется с другой молекулой или стенкой контейнера. А столкновение двух молекул похоже на столкновение двух шаров. Молекулы обмениваются импульсами, но общий импульс двух молекул сохраняется.Когда молекула ударяется о стену, она отскакивает назад. Его импульс меняется. Чтобы изменить импульс молекулы, стенка должна действуют на молекулу с силой. третий закон Ньютона говорит нам, что молекула действует на стенку с силой. Чем больше число молекул, ударившихся о стенку, тем больше сила, действующая на стенку. В контейнере со стенками разного размера более крупные стенки получат больше удары, чем меньшие стены и, следовательно, испытывают большую силу.То давление в сосуде равно величине нормальной силы F, действующей на стенку. деленная на площадь А стены.

    П = Ф/А

    Чем быстрее молекулы движутся в сосуде, тем больше изменение импульс, когда они отскакивают от стены, и тем чаще они ударяются о стены. Предположим, что молекула движется горизонтально со скоростью |v x | взад и вперед между двумя бесконечно массивными стенами, отстоящими друг от друга на расстояние L.Когда он ударяется о правую стену, его импульс изменяется от p 1 = +m|v x | до p 2 = -m|v x |. Изменение в молекуле импульс равен Δp моль = p 2 — p 1 = -2m|v x |. Интервал времени между последовательными попаданий в правую стену составляет Δt = 2L/|v x |. Итак, средняя сила стена воздействует на эту молекулу F моль = Δp моль /Δt = -2m|v x |/(2L/|v x |) = -mv x 2 /л. По третьему закону Ньютона средняя сила, с которой молекула действует на стенку, равна F настенный = mv x 2 /л, оно пропорционально квадрату скорость молекулы или ее кинетическая энергия.

    Предположим, что в объеме V находится N молекул, движущихся горизонтально с скорость |v x |. Не все молекулы одинаковы кинетическая энергия. Сила воздействие молекул на стенки сосуда равно F = Nm x 2 >/л, где x 2 > — среднее значение v x 2 .

    Давление P = F/A  = Nm x 2 >/V, так как L * A = V. С ρ частиц = N/V мы имеем

    P = F/A = ρ частица mv x 2 .

    В направлении x нет ничего особенного. Атомы могут двигаться вверх и вниз, назад и вперед, внутрь и наружу. Компоненты средней скорости в все направления будут равны друг другу.

    x 2 > = y 2 > = z 2 >.

    Каждый из них равен одной трети своей суммы, которая равна квадрату величина средней скорости.

    2 > = x 2 > + y 2 > + z 2 >.

    x 2 > = (1/3) 2 >.

    Следовательно, мы можем написать

    .

    P = (1/3)ρ частица m 2 > = (2/3)ρ частица (m 2 >/2)

    Это уравнение связывает давление с кинетической энергией атомов или молекул, поскольку m 2 >/2 есть кинетическая энергия центра масс или поступательное движение атома или молекулы.Используя ½m 2 > = (3/2)k B T и ρ частицы = N/V сверху мы поэтому находим, что

    PV = (2/3)N(m 2 >/2)

    PV = Nk B T.

    Давление в сосуде пропорционально средней кинетической энергии молекул и, следовательно, абсолютному температура Т газа.

    Если бы все молекулы в сосуде находились в покое, их кинетическая энергия была бы равна нулю, а давление было бы равно нулю.

    PV = Nk B T называется законом идеального газа . Большинство реальных газов при обычных температурах и давление подчиняется закону идеального газа. Закон идеального газа можно переписать как

    .

    PV = nN A k B T = nRT.

    Здесь n – количество молей газообразного вещества, Н А число Авогадро, N A = 6,022*10 23 молекул/моль, а R = N A k B является константой, называемой универсальная газовая постоянная , R = 8.31 Дж/(моль К).

    Число молей n определяется как n = m/M, где m — средняя масса газа. частиц в объеме, М – молярная масса газа.

    В 17 -м и 18-м -м веках проводились эксперименты с газами при очень низкие температура и давление выявили три соотношения, которые являются обобщенными по закону идеального газа.

    • Для газа с низкой плотностью при постоянной температуре P обратно пропорционально к В.
      Закон Бойля:  PV = константа (при постоянной T).
    • Для газа с низкой плотностью при постоянном объеме давление пропорционально температура.
      Закон Гей-Люссака:  P = константа * T (при постоянном V).
    • Для газа с низкой плотностью при постоянном давлении объем пропорционален температура.
      Закон Чарльза:  V = константа * T (при постоянной P).

    Закон идеального газа хорошо выполняется для реальных газов при низких плотности и давления, такие как атмосферная плотность и давление.Если мы используем Т = 0 o C = 273 K и P = 1 атм, то находим, что один моль газа занимает объем 22,4 литра. Один моль газа содержит N A газа частицы. Для всех газов с низкой плотностью частицы газа N A занимают 22,4 л при Т=273К и Р=1 атм.

    Ничто в законе идеального газа не зависит от природы частиц газа. То значение PV/T зависит только от количества частиц газа и универсального постоянный.

    Примечание:  Во всех газовых законах T обозначает абсолютную температуру, измеренную в градусах Кельвина. в единицах СИ.

    Проблема:

    Плотность частиц атмосферного воздуха при температуре 273,15 К на уровне моря составляет 2,687*10 25 3 . Рассчитать давление стр.

    Решение:

    • Обоснование:
      Закон идеального газа, PV = Nk B T, P = (N/V)k B T = ρ частица k B T.
    • Детали расчета:
      P = (2,687*10 25 3 )(1,381*10 -23 Па м 3 /K)(273,15 К) = 1,01*10 5 Па = 101 кПа.
    Проблема:

    Если воздушный шар, наполненный гелием, изначально находившийся при комнатной температуре, поместить в морозильную камеру, его объем увеличится, уменьшится или останется прежним?

    Решение:

    • Обоснование:
      Закон идеального газа гласит, что PV/T постоянна.Давление в морозильная камера атмосферное давление, температура в морозильной камере ниже что температура наружного воздуха, поэтому объем воздушного шара уменьшается, когда он помещается в морозильную камеру.

    Ссылка: Воздушные шары в жидкости Азот (Ютуб)

    Стандартная температура и давление (STP)

    Гиперглоссарий MSDS: Стандартная температура и давление (STP)

    Определение

    Стандартная температура и давление (STP) определяется как 0 градусов по Цельсию и 1 атмосфера давления.

    Не путайте STP с компанией STP Products, производителем присадок к маслам и топливу… если только вы не читаете один из их паспортов безопасности!

    Дополнительная информация

    STP используется во многих термодинамических расчетах и ​​таблицах. Определенные свойства вещества, такие как плотность, вязкость, температура кипения и т. д., будут меняться при изменении температуры или давления. Наличие одного общего набора условий («состояния») для табулирования этих значений делает возможным сравнение и упрощает расчеты.

    Понятие материи в ее стандартном состоянии (также называемом «стандартным состоянием») тесно связано. «Стандартное состояние» , а не обычно означает определенную температуру, но чаще всего используется 25 ° C (298 K):

    . + + + +
    состояние вещества стандартное состояние
    Газ 1 атм давления
    Жидкость Чистая жидкость
    Твердые Чистый твердое
    Раствор 1 мольное
    Элементы Самый стабильный аллотроп при STP, с G f 0 = 0

    Многие химические расчеты выполняются для материалов, находящихся в стандартном состоянии.Одним очень полезным правилом для газов, которое не обязательно требует стандартных условий состояния, является закон идеального газа (уравнение 1).

    (1)

    Где:

    Используя закон идеального газа, можно определить значение любой из четырех переменных (P, V, n, T), если мы знаем значение трех других (R — константа).

    Например, 1000 граммов (1 килограмм = 2,2 фунта) этилена (имеющего молярную массу 28 грамм/моль) будут занимать объем 800 литров при СТП:

    Если бы мы хотели рассчитать этот объем при другой, нестандартной температуре состояния, например, 100 °C, мы бы просто заменили температуру на 373 K (100 °C = 373 K) в приведенном выше расчете.Закон идеального газа — это очень удобное уравнение для оценки свойств газа как в стандартных, так и в нестандартных условиях.

    Актуальность паспорта безопасности

    Буквы «STP» чаще всего встречаются в паспорте безопасности после физического свойства, такого как плотность, предел воспламеняемости или давление паров материала. Эти свойства указаны в разделе 9 (физические и химические свойства) паспорта безопасности.

    Помните: стандартная температура равна 0 °C, НЕ комнатная температура . Обычно свойства при STP по сравнению с комнатной температурой изменяются менее чем на 10% для газов и еще меньше для жидкостей или твердых тел. Например, в расчете в предыдущем разделе объем будет 858 литров при 20 °C, разница в 7%. А плотность воды 0,99987 г/мл при 0°С против 0,99823 г/мл при 20°С, разница 0,16%.

    Однако иногда различия могут быть экстремальными: диметиламин представляет собой летучую жидкость с удельным весом 0,680 при стандартной температуре, но это газ с температурой кипения выше 7 °C!

    Дополнительное чтение

    См. также : единицы массы, моль, единицы давления

    Дополнительные определения от Google и OneLook.



    Последнее обновление записи: суббота, 24 октября 2020 г. Эта страница защищена авторским правом 2000-2022 ILPI. Несанкционированное копирование или размещение на других веб-сайтах строго запрещено. Присылайте предложения, комментарии и новые пожелания (укажите URL-адрес, если применимо) нам по электронной почте.

    Заявление об отказе от ответственности : Информация, содержащаяся в данном документе, считается достоверной и точной, однако ILPI не дает никаких гарантий относительно правдивости любого заявления.Читатель использует любую информацию на этой странице на свой страх и риск. ILPI настоятельно рекомендует читателю проконсультироваться с соответствующими местными, государственными и федеральными агентствами по вопросам, обсуждаемым здесь.

    Критическая температура и давление

    Критическая температура и давление Критическая температура и Давление

    Критическая температура

    Газы могут быть преобразованы в жидкости путем сжатия газа при подходящей температуре. температура.

    С повышением температуры газы становится труднее сжижать, потому что увеличиваются и кинетические энергии частиц, составляющих газ.

    Газ под микроскопом. Микроскопический вид жидкости.

    Критическая температура вещества – это температура при которой и выше пары вещества не могут быть сжижены, независимо от какое давление приложено.

    Каждое вещество имеет критическую температуру. Некоторые примеры показаны ниже.

    вещество критическая температура ( o С)
    НХ 3 132
    О 2 -119
    СО 2 31,2
    Н 2 О 374
    Пробирки с водой разных температур.Обратите внимание, что при 374 o C или выше (критическая температура для воды) в трубке существует только водяной пар.

    Критическое давление

    критическое давление вещества – это требуемое давление сжижать газ при его критической температуре. Некоторые примеры показаны ниже.
    вещество критическое давление (атм)
    НХ 3 111.5
    О 2 49,7
    СО 2 73,0
    Н 2 О 217,7

    Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


    Настройка браузера на прием файлов cookie

    Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее распространенные причины:

    • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
    • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
    • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
    • Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
    • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

    Почему этому сайту требуются файлы cookie?

    Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


    Что сохраняется в файле cookie?

    Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

    Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.

    *