Тема 2.2

                ГАЗОПОДІБНІ РЕЧОВИНИ ТА ЇХ ВЛАСТИВОСТІ

 

Тема 2.2.     Газоподібні речовини та їх властивості.

 

§9. Загальні відомості про пари та гази.                                                         48

§10. Гази та їх властивості. Газові закони як узагальнення

експериментальних фактів.                                                                               50

§11. Газові закони, як прямі наслідки (передбачення)

молекулярно-кінетичної теорії.                                                                         57

§12. Розв’ язування задач. Тема: Термодинамічні процеси

в графіках.                                                                                                               62

§13. Пари та їх властивості. Насичені і ненасичені пари.

Випаровування та кипіння.                                                                                67

§14. Критичний стан речовини.                                                                        76

§15. Вологість повітря та способи її вимірювання.                                      81

§16. Атмосфера Землі.                                                                                          89

 

§9. Загальні відомості про пари та гази.

 

Дослідження показують, що все різноманіття газоподібних речовин (V≠const;  Ф≠const; Еп ˂ Ек) можна розділити на дві суттєво різні групи: пари та гази. При цьому, одна і та ж речовина, за одних умов може бути паром, а за інших – газом. Чим же відрізняються пари від газів? Чому газоподібний кисень називають газом, а газоподібну воду – паром? За яких умов пар перетворюється на газ, а газ стає паром? Аргументовані відповіді на ці та їм подібні запитання, ви отримаєте в процесі вивчення даної теми. Наразі ж, вкажемо на ту визначальну ознаку яка на практиці дозволяє пар відрізнити від газу. А ця ознака полягає в тому, що в процесі ізотермічного (m=const; T=const) стиснення, пар перетворюється на відповідну рідину, а газ – не перетворюється (мал.18).

 

Мал.18.  В процесі ізотермічного стиснення, пар перетворюється на відповідну рідину, а газ – не перетворюється.

Наприклад, якщо взяти газоподібну воду, газоподібний бензин чи газоподібний ефір, і при кімнатній температурі почати зменшувати їх об’єм, то в процесі стиснення, ці газоподібні речовини почнуть конденсуватись, тобто перетворюватись на відповідну рідину. Звичайно за умови, що стискається саме пар, а не суміш пару з газом. Адже якщо наприклад, шляхом стиснення ви захочите сконденсувати ту воду, невелика кількість якої безумовно міститься в повітрі вашої квартири, то скоріш за все не зможете цього зробити. Не зможете тому, що фактично будете стискати не пари води, а суміш великої кількості того газу який називається повітрям та незначної кількості парів води.

Якщо ж аналогічний експеримент провести з газоподібним киснем (О2), воднем (Н2) чи азотом(N2), то неодмінно з’ясується, що за будь якого ступеню стиснення, в посудині буде знаходитись однорідна газоподібна речовина. При цьому, навіть в тому випадку коли густина цієї речовини стане більшою за густину рідини, скажімо води, у вас не буде підстав стверджувати, що в посудині з’явилась рідина. Не буде по перше тому, що в процесі стиснення ви не зафіксуєте моменту перетворення газу на рідину. А по друге, якою б густою не була та речовина що знаходиться в посудині, вона матиме основну властивість газу – при наданні цій речовині будь якого об’єму, вона практично миттєво займе увесь цей об’єм.

Звичайно, факт того, що при кімнатній температурі газоподібний кисень, газоподібний водень та газоподібний азот не можливо перетворити на відповідну рідину, зовсім не означає, що цього не можливо зробити в принципі. Просто для того щоб газ перетворити на рідину, його спочатку потрібно перетворити на відповідний пар. А це означає, що газ потрібно охолодити до певної до критичної температури (t<tкр). Скажімо для кисню, ця критична температура становить –118,4ºС; для азоту –147,1ºС; для водню – 241ºС.

Про те, яку температуру називають критичною, ми поговоримо в одному з наступних параграфів. Наразі ж, просто сформулюємо загально прийняті визначення того що називають паром та газом.

Парами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при до критичних температурах (t ˂ tкр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул пару не набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Ек > Еп);  б) пар можна перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

Газами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при за критичних температурах (t ˃ tкр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул газу набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Ек >> Еп); б) газ не можливо перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

 

Контрольні запитання.

1.Які речовини називають газоподібними?

2. Чому пари і гази називають газоподібними?

3. Чому газоподібну воду називають пором, а газоподібний кисень – газом?

4. Яке стиснення називають ізотермічним?

5. Чи можна газоподібний кисень перетворити на відповідну рідину? Що для цього потрібно зробити?

6. Що випливає з твердження: “пар знаходиться при до критичній температурі”?

7. Що випливає з твердження: “газ знаходиться при за критичній температурі?

 

§10. Газові закони, як узагальнення експериментальних фактів.

 

Нагадаємо. Газами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при за критичних температурах (t ˃ tкр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул газу набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Ек >> Еп); б) газ не можливо перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення.

Факт того, що середня кінетична енергія молекул газу набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Ек >> Еп), по суті означає, що фізичні властивості хімічно різних газів є практично однаковими. Однаковими тому, що індивідуальні властивості речовини, визначальним чином залежать від енергії взаємодії її молекул. А оскільки для газів Еп << Ек, то загальна поведінка молекул газу, а отже і його загальні фізичні властивості, практично не залежать від індивідуальних особливостей тих молекул з яких цей газ складається. Те що хімічно різні гази мають практично однакові фізичні властивості, з усією очевидністю підтверджують так звані газові закони. Власне про ці закони ми і поговоримо в даному параграфі.

Фізичний стан певної маси газу (m=const) можна охарактеризувати трьома величинами: тиск (р), об’єм (V) та температура (Т). Ці величини прийнято називати основними термодинамічними параметрами газу. Процеси при яких так чи інакше змінюються термодинамічні параметри певної маси газу (m=const) називаються термодинамічними процесами. Термодинамічні процеси, при яких маса газу та один з його основних термодинамічних параметрів (р,V,Т) залишаються незмінними, називаються ізопроцесами ( від грецького “ізос” – незмінний). Розрізняють три ізопроцеси:

ізотермічний: m=const, T=const;

         ізобаричний: m=const, p=const;

         ізохоричний: m=const, V=const;

Слова “термос”, “барос”, “хорема” мають грецьке походження і означають відповідно: “теплий” (температура), “важкий” (тиск), “ємність” (об’єм).

Напевно ви погодитесь з тим, що об’єм, тиск і температура певної маси газу є взаємо пов’язаними величинами. Адже кожен знає, що в процесі зменшення об’єму, тиск газу збільшується. Кожен знає, що в процесі нагрівання, гази розширюються. А якщо не розширюються, то результатом їх нагрівання є підвищення тиску. Закони, які відображають ті зв’язки що об’єктивно існують між об’ємом, тиском та температурою певної маси газу, називають газовими законами.

 

Мал. 19 Газові закони відображають ті зв’язки, що існують між об’ємом, тиском та температурою певної маси газу (m = const).

Важливість газових законів полягає в тому, що саме ці експериментально відкриті закони, стали тією експериментальною основою на базі якої була створена сучасна молекулярно-кінетична теорія. Достатньо сказати, що саме на основі аналізу тих співвідношень, які прийнято називати газовими законами, були визначені ті фундаментальні сталі, значимість яких виходить далеко за межі властивостей газів і які називаються абсолютним нулем (t= -273ºС), сталою Больцмана (k= 1,38∙10-23Дж/К) та сталою Авогадро (NA= 6,02∙1023 1/моль). Зважаючи на ці обставини, газові закони потрібно розглядати не як певні мало значимі співвідношення між параметрами певної маси газу, а як ті експериментальні факти, які лежать в основі сучасної молекулярно-кінетичної теорії.

Газові закони.

Закон Бойля – Маріотта – це закон, в якому стверджується: при ізотермічному процесі, добуток тиску будь якого газу на його об’єм, залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const, T=const то pV=const.

Цей закон був сформульований в 1662 році англійським фізиком Робертом Бойлем (1627-1691) та незалежно від нього, французьким фізиком Едмом Маріоттом (1620-1684).  Суть закону Бойля-Маріотта очевидно проста: якщо об’єм певної маси газу зменшити в х разів, то його тиск в х разів збільшиться, а якщо цей об’єм в х разів збільшити, то тиск в х разів зменшиться. Наочною ілюстрацією цієї суті є зображений на мал.20 графік ізотермічного процесу.

 

Мал.20.  При ізотермічному процесі,  добуток тиску газу на його об’єм залишається незмінним (закон Бойля – Маріотта).

Закон Гей-Люсака – це закон, в якому стверджується: при ізобаричному процесі, відношення об’єму будь якого газу до його абсолютної температури залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const, р=const то V/T = const, або  V/(t+273) = const.

Цей закон був експериментально встановлений в 1802році, французьким фізиком Жозефом Луі Гей-Люсаком (1778-1850). Потрібно зауважити, що в часи Гей-Люсака температуру вимірювали не в кельвінах, а в градусах Цельсія і тому відповідний закон записувався у вигляді V/(t+273) = const.

Наочною ілюстрацією суті закону Гей-Люсака є зображений на мал.21 графік ізобаричного процесу.

 

Мал.21.  При ізобаричному нагріванні будь якого газу, його об’єм лінійним чином збільшується (закон Гей-Люсака).

Закон Гей-Люсака очевидно вказував на те, що в природі існує гранично низька температура, і що її величина -273ºС. Подальші дослідження показали, що таку температура дійсно існує і що її величина дійсно дорівнює -273ºС (точніше -273,15ºС). Цю гранично низьку температуру називають абсолютним нулем.

Потрібно зауважити, що ще за п’ятнадцять років до загально визнаної дати відкриття закону Гей-Люсака, аналогічний висновок зробив французький фізик Жак Шарль (1746-1823). Однак, результати своїх досліджень Шарль за лише йому відомих мотивів, тримав у таємниці. А це означає, що за загально прийнятими правилами, його не можна вважати автором відповідного закону. Тим не менше, в деяких наукових джерелах закон Гей-Люсака називають законом Шарля. Втім, в переважній більшості наукових джерел, законом Шарля називають ще один газовий закон, який по суті є похідним від законів Бойля – Маріотта та Гей-Люсака.

Закон Шарля – це закон, в якому стверджується: при ізохоричному процесі, відношення тиску будь якого газу до його абсолютної температури залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const, V=const то р/T = const, або  р/(t+273) = const.

Наочною ілюстрацією суті закону Шарля є зображений на мал.22 графік ізохоричного процесу.

  

Мал.22. При ізохоричному нагріванні будь якого газу, його тиск лінійним чином збільшується (закон Шарля).

Прямим наслідком законів Бойля – Маріотта, Гей-Люсака та Шарля (а фактично законів Бойля – Маріотта та Гей-Люсака), є закон який прийнято називати об’єднаним газовим законом.

Об’єднаний газовий закон – це закон, в якому стверджується: для постійної маси будь якого газу, відношення добутку тиску газу на його об’єм до абсолютної температури газу, залишається незмінним. Іншими словами: якщо m=const,  то  pV/T=const   або    pV/(t+273)=const.

Вперше об’єднаний газовий закон був сформульований в 1834 році французьким фізиком Бенуа Клапейроном (1799-1864). Зважаючи на ці обставини, об’єднаний газовий закон записаний для одного моля газу, зазвичай називають законом Клапейрона.

Закон Клапейрона – це закон, в якому стверджується: для одного моля будь якого газу виконується співвідношення  pVмоль/Т=R,  де  R – постійна величина, яка називається молярною газовою сталою. Значення цієї величини визначається експериментально і становить R=8,31Дж/К∙моль.

Можна довести, що молярна газова стала (R=8,31Дж/К∙моль), дорівнює добутку сталої Больцмана (k=1,38∙10-23Дж/К) та сталої Авогадро (NA= 6,02∙1023 1/моль). Дійсно: R = k∙NA = 1,38∙10-23Дж/К ∙ 6,02∙1023 1/моль = 8,31Дж/К∙моль. Зважаючи на вище сказане, можна дати наступне визначення.

Молярна газова стала (R=8,31Дж/К∙моль) – це постійна величина, яка показує на скільки джоулів зміниться середня кінетична енергія одного моля (тобто 6,02∙1023 молекул) речовини, при зміні температури цієї речовини на 3/2 кельвіна (тобто на 1,5ºС).

В 1874 році російський хімік Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907) записав рівняння Клапейрона у вигляді, який дозволяє визначати величину співвідношення рV/Т для будь якої кількості молей газу:  pV/T=(m/M)R,   m – загальна маса газу,  M – молярна маса цього газу. Дану форму запису об’єднаного газового закону називають законом (рівнянням) Менделєєва – Клапейрона.

Закон Менделєєва – Клапейрона – це закон, в якому стверджується: для довільної кількості молей будь якого газу, виконується співвідношення pV/T=(m/M)R,   m – загальна маса газу,  M – молярна маса цього газу.

В 1811 році італійський фізик Амадео Авогадро (1776-1856), на основі аналізу багатьох експериментальних фактів, дійшов висновку: за однакових термодинамічних умов, в рівних об’ємах різних газів міститься однакова кількість молекул.  Іншими словами: якщо різні гази мають однакову кількість молекул (однакову кількість молей) то за однакової температури і тиску, вони займатимуть однакові об’єми.

Після того, як було сформульовано закон Клапейрона та визначено величину молярної газової сталої, закон Авогадро набув вигляду:

Закон Авогадро – це закон, в якому стверджується: за нормальних умов (р=101,3кПа, Т=273К) один моль будь якого газу займає об’єм 22,4 літра (22,4∙10-3м3).

Говорячи про газові закони не можна не згадати про закон Дальтона. В 1801 році англійський вчений Джон Дальтон (1766-1844) експериментально встановив: тиск суміші хімічно не взаємодіючих газів, дорівнює сумі тих парціальних тисків які створюють окремі складові цієї суміші, тобто  р = р1 + р2 + … + рn . Наприклад, сухе повітря на 78% складається з азоту (N2) на 21% – з кисню (О2) і на 1% з інших газів. При цьому, загальний тиск повітряної суміші можна представити як суму тих окремих (парціальних) тисків, які створюються складовими частинами цієї суміші. А це означає, що при вилучені певної складової частини суміші газів, загальний тиск суміші зменшиться на величину відповідного парціального тиску. Скажімо, якщо в герметичну колбу з повітрям покласти шматок білого фосфору, то в процесі хімічної реакції  4Р + 5О2 → 2Р2О5  кисень буде вилучено із складу повітряної суміші. При цьому тиск цієї суміші зменшиться на величину того тиску який створював відповідний кисень.

  

Мал. 23  Тиск суміші газів, дорівнює сумі тисків її окремих складових.

Завершуючи розмову про газові закони потрібно наголосити на тому, що ці закони справедливі для будь якого газу і для будь яких газових сумішей. Це означає, що загальні фізичні (термодинамічні) властивості різних газів є практично однаковими. Інша справа, що газові закони в точності виконуються лише для так званого ідеального газу. Якщо ж говорити про реальні гази (О2, N2, H2, He, Ne, Ar), то для них газові закони достатньо точно виконуються в області не надто високих тисків (р ˂ 20атм) і не надто низьких температур (t ˃ -100ºС).

 

Контрольні запитання.

1. Які процеси називаються термодинамічними?

2. Який процес називається: а) ізотермічним, б) ізохоричним ?

3. На що очевидно вказують закони Гей-Люсака та Шарля?

4. Як записували закони Гей-Люсака, Шарля, Клапейрона та Менделєєва – Клапейрона, до введення абсолютної шкали температур?

5. Чим схожі та чим відрізняються молярна газова стала і стала Больцмана?

6. Як ви думаєте, на основі аналізу яких газових законів були визначені величини сталої Больцмана та сталої Авогадро?

         Вправа 4.

1.При температурі 0ºС тиск газу в закритій посудині 101кПа. Яким буде цей тиск при температурі 40ºС ?

2. При ізобаричному нагрівання газу, його густина зменшилась вдвічі. У скільки разів зменшилась абсолютна температура газу?

3. При ізохоричному нагріванні газу, його температура зросла від 10ºС до 20ºС. У скільки разів збільшився тиск газу?

4. Посудина ємністю 20 літрів наповнена азотом, тиск якого 2атм, а температура 27ºС. Визначте масу азоту в посудині.

5. Визначте густину водню при температурі 17ºС і тиску 303кПа.

6. Який об’єм повітря вийде з кімнати, при підвищенні температури в ній з 15ºС до 25ºС? Об’єм кімнати 120м3.

7. На якій глибині радіус повітряної бульбашки зменшиться вдвічі, порівняно з її радіусом біля поверхні води?

8. На основі законів Дальтона та Менделєєва – Клапейрона визначте молярну масу повітря. Вважати, що повітря на 78% складається з азоту (N2) і на 22% – з кисню (О2)

 

§11. Газові закони, як прямі наслідки (передбачення) молекулярно-кінетичної  теорії.

 

В попередньому параграфі ми сформулювали вісім газових законів, кожен з яких є узагальненням відповідних експериментальних досліджень. Законів, для експериментального відкриття яких знадобились зусилля багатьох поколінь видатних вчених. Сьогодні ж, коли зусиллями цих вчених створено струнку систему знань, яка називається молекулярно-кінетичною теорією, все різноманіття газових законів можна “відкрити” буквально за 10 хвилин. Зробивши ці відкриття, ви безумовно переконаєтесь в тому, яким потужним та інформативним джерелом знань є наукова теорія.

Перш за все зауважимо, що при теоретичному описанні властивостей будь якого реального об’єкту, цей реальний об’єкт завжди замінюють певною, спрощеною (ідеалізованою) моделлю цього об’єкту. Моделлю, яка враховує всі суттєво важливі обставини і не враховує ті обставини, які в умовах даної задачі є не суттєвими. Скажімо, реальний газ, це надзвичайно складна система, яка складається з неймовірно величезної кількості молекул, кожна з яких має надзвичайно складний внутрішній устрій. При цьому, кожна молекула безперервно та безладно рухається і складним чином взаємодіє з іншими молекулами. Ясно, що бездоганно точно описати поведінку цієї надскладної системи практично не можливо. Цю поведінку можна теоретично описати лише в тому випадку, якщо реальний газ замінити певним чином спрощеною (ідеалізованою) моделлю цього газу. Впроваджуючи таку модель, враховують наступні властивості реальних газів.

По перше. За нормальних умов, будь який реальний газ достатньо сильно стискається. А це означає, що відстані між молекулами газу є відносно великими і що тому, індивідуальними особливостями форми цих молекул можна знехтувати, та вважати ці молекули відповідними кульками.

По друге. Будь який реальний газ займає увесь наданий йому об’єм. А це означає, що в процесі взаємодії, молекули газу ведуть себе як пружні кульки: в процесі пружного удару, кінетична енергія кульки спочатку зменшується до нуля, а потім збільшується до початкової величини. В такій ситуації, загальна поведінка молекул газу практично не залежить від величини їх потенціальної енергії і тому цією енергією можна знехтувати, тобто вважати що для газу Еп=0. Звичайно, це не означає що потенціальна енергія молекул газу дійсно дорівнює нулю. Адже потенціальна енергія, це надзвичайно складний вид прихованої енергії, прояви якої можуть бути надзвичайно різноманітними. Тому, коли ми стверджуємо, що потенціальна енергія молекул газу дорівнює нулю, то маємо на увазі лише факт того, що загальний вплив цієї енергії на кінематичну поведінку молекул газу є практично нулевим.

В третіх. Тиск газу в усіх напрямках є практично однаковим. А це означає, що при хаотичному русі молекул, кожний напрям руху є рівно імовірним, і що тому, в будь який момент часу, в сторону будь якої стінки куба, рухається одна шоста частина тих молекул що знаходяться в цьому кубі.

Враховуючи вище сказане, при теоретичних дослідженнях, реальний газ можна замінити його спрощеною фізичною моделлю, яку прийнято називати ідеальним газом. Ідеальний газ – це спрощена (ідеалізована) модель реального газу, в якій: 1) молекули – ідеально круглі пружні кульки; 2) енергія взаємодії молекул дорівнює нулю (Еп=0); 3) в сторону будь якої стінки куба, в будь який момент часу рухається 1/6 частина наявних молекул.

Ілюструючи суть теоретичних досліджень та узагальнюючу інформативність молекулярно-кінетичної теорії, розв’яжемо наступну задачу.

Задача. Спираючись на розуміння суті того що називають тиском, температурою, об’ємом, кількістю речовини, концентрацією молекул, тощо, “відкрити” все різноманіття газових законів, тобто тих співвідношень що існують між об’ємом (V), тиском (р) та температурою (Т) певної маси (m=const) ідеального газу.

Дано:                                               Рішення:

ідеальний газ                            v   ← • 

m = const                                              • →   –v

V = ℓ3 = Sℓ                         Аналізуючи визначальні рівняння тих фізичних

p = F/S                                величин, що є предметом наших теоретичних

T = Ek/(3/2)k                       досліджень (V=Sℓ; p=F/S; T = Ek/(3/2)k) не

Ek = m0v2/2                         важко збагнути, що в даному переліку величин,

k = 1,38·10-23Дж/К             ключовою є тиск. Адже саме в визначальному

NA = 6,022·10231/моль       рівнянні тиску (p = F/S), опосередковано приховані

n0 = N/V                              як об’єм (V=ƒ(S)), так і температура (тиск залежить

F = ma                                  від сили ударів молекул, яка в свою чергу пов’язана

a = ∆v/∆t                              з їх кінетичною енергією, а отже – з температурою

ν = m/M                               газу). Виходячи з цих міркувань, наші теоретичні

Відкрити газові                  дослідження почнемо з аналізу того що називають

закони                                  тиском, тобто з аналізу рівняння р = F/S.

З’ясовуючи ті обставини від яких залежить тиск газу, потрібно врахувати наступне.  1). Загальна силова дія газу (F) на задану поверхню, є результуючою силової дії окремих молекул цього газу, величину якої можна визначити за формулою  F = NудF0, де  Nуд – загальна кількість ударів молекул по заданій поверхні; F0 – сила удару однієї  молекули.

2). В процесі пружного удару, швидкість молекули (v) спочатку зменшується до нуля, а потім – збільшується до початкової величини. А це означає, що за час пружного удару (∆t) швидкість молекули газу змінюється на величину ∆v=2v.

Зважаючи на вище сказане, та враховуючи що за визначенням F0=m0a; a=∆v/∆t, можна записати: p=F/S=NудF0/S=Nудm0a/S=Nудm0∆v/S∆t= Nудm02v/S∆t, де Nуд – кількість тих ударів яку отримує поверхня площею S за гранично малий час Δt. А цю кількість можна визначити за формулою Nуд = (1/6)∆N = (1/6)n0∆V = (1/6)n0Sv∆t.

У підсумку можна записати:

p = F/S = NудF0/S = Nудm0a/S = Nудm0∆v/S∆t = Nудm02v/S∆t = (1/6)n0Sv∆tm02v/S∆t = (1/3)n0m0v2 ,  тобто   р=(1/3)n0m0v2 ,  або    р=(2/3)n0Ек     (1)

Таким чином, ми отримали рівняння яке кількісно відображає факт того, що тиск газу залежить від концентрації його молекул (n0) та величини їх середньої кінетичної енергії (Ек=m0v2/2). Рівняння р=(1/3)n0m0v2, або   р=(2/3)n0Ек називають основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії газів. Така назва повністю відповідає тій винятково важливій ролі, яку відіграє дане рівняння в молекулярно-кінетичній теорії. Достатньо сказати, що на основі елементарного математичного аналізу рівняння р=(2/3)n0Ек, можна вивести (теоретично відкрити) все різноманіття відомих газових законів. Дійсно. Зважаючи на те що Ек=(3/2)kT, де k=1,38·10-23Дж/К; n0=N/V, можна  записати:  р=(2/3)n0Ек=(2/3)(N/V)(3/2)kT=NkT/V.  Звідси:

pV/T=Nk     (2).

Із аналізу рівняння (2) ясно, що величина співвідношення pV/T залежить від кількості молекул (N) в наявному об’ємі газу. Визначаючи цю кількість можна виділити три ситуації:

1) В заданому об’ємі міститься постійна кількість газу (m=const) і величина цієї кількості 1моль. В такій ситуації: N=NA=6,022·1023 молекул. А це означає, що рівняння (2) набуває вигляду pVмоль/T=NAk=R, де  R=8,31Дж/К·моль – постійна величина, яка називається молярною газовою сталою.

2). В заданому об’ємі міститься постійна кількість газу (m=const) і величина цієї кількості ν=m/M (моль). В такій ситуації, кількість молекул газу становить: N=νNA=(m/M)NA, де М – молярна маса газу. А це означає, що рівняння (2) набуває вигляду  pV/T=(m/M)R.

3). В заданому об’ємі міститься невідома, але постійна кількість газу (m=const). Ясно, що в такій ситуації кількість молекул газу залишається незмінною (N=const) і тому рівняння (2) можна записати у вигляді  pV/T=const.

Таким чином, рівняння (2) в певних конкретних ситуаціях набуває вигляду відомих газових законів, зокрема:

закону Клапейрона: для одного моля будь якого газу (ідеального газу) виконується співвідношення  pVмоль/T= R , де  R=8,31Дж/К·моль ;

закону Менделєєва – Клапейрона: для довільної кількості молей будь якого газу (ідеального газу), виконується співвідношення  pV/T=(m/M)R;

об’єднаного газового закону: для незмінної маси будь якого газу (ідеального газу), виконується співвідношення  pV/T=const .

І не важко збагнути, що прямими наслідками об’єднаного газового закону (pV/T=const ) є:

закон Бойля – Маріотта:   якщо m=const, T=const то pV=const;

закон Гей-Люсака:  якщо m=const, p=const, то V/T=const;

закон Шарля:  якщо m=const, V=const ,  то  p/T=const.

Якщо ж говорити про закони Дальтона та Авогадро, то і вони є прямими наслідками рівняння (2), а по суті, основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії. Дійсно. Для одного моля газу рівняння (2) набуває вигляду pVмоль/T= R. При цьому, за нормальних умов, тобто при температурі Тн=273К і тиску в одну атмосферу рн=1,01105Па: Vмоль=RТнн=22,4∙10-3м3=22,4л.  Висновок: за нормальних умов, один моль будь якого газу (ідеального газу) займає об’єм 22,4 літра (закон Авогадро).

Для суміші різних, хімічно не взаємодіючих газів, загальну кількість молекул (N) можна визначити за формулою N=N1+N2+…+Nn , де N1, N2,… Nn – кількість молекул кожної складової частини суміші. А це означає, що для суміші газів, рівняння (2) можна записати у вигляді    p = N(kT/V) = (N1+N2+…+Nn)(kT/V) = p1+p2+…+pn .  Висновок: тиск суміші хімічно не взаємодіючих газів, дорівнює сумі тих парціальних тисків які створюють окремі складові цієї суміші (закон Дальтона).

Результати наших теоретичних міркувань можна представити у вигляді наступної узагальнюючої таблиці.

p = F/S = NудF0/S = Nудm0a/S = … = (1/3)n0m0v2 = (2/3)n0Ек .

 

   

Мал. 24.  Газові закони, як прямі наслідки (передбачення) молекулярно-кінетичної теорії. (на мал.б, твердження m≠const  неправильне)

Факт того, що газові закони, з одного боку є узагальнюючими результатами експериментальних фактів, а з іншого – передбаченнями молекулярно-кінетичної теорії, безумовно вказує на те, що відповідна теорія є правильною. Крім того, факт того що в широкому діапазоні тисків та температур, ті газові закони які описують властивості реальних газів, практично в точності співпадають з тими законами які описують властивості ідеального газу, безумовно вказує на те, що наша модель ідеального газу є надзвичайно вдалою.

Словник фізичних термінів.

Ідеальний газ – це спрощена (ідеалізована) модель реального газу, в якій: 1) молекули – ідеально круглі пружні кульки; 2) енергія взаємодії молекул дорівнює нулю (Еп=0); 3) в сторону будь якої стінки куба, в будь який момент часу рухається 1/6 частина наявних молекул.

Молярна газова стала (R=8,31Дж/К·моль) – це постійна величина, яка показує на скільки джоулів зміниться середня кінетична енергія одного моля (тобто 6,022·1023 молекул) ідеального газу, при зміні температури цього газу на 3/2 кельвіна (на 1,5ºС).

Контрольні запитання.

1.Як ви думаєте, який газ – водень (Н2) чи гелій (Не), за однакових умов більш схожий на ідеальний? Чому?

2. Яка властивість реальних газів дозволяє стверджувати, що енергія взаємодії їх молекул дорівнює нулю? Чи означає це, що відповідна енергія дійсно дорівнює нулю?

3. Чому, теоретично з’ясовуючи ті зв’язки що існують між об’ємом, тиском та температурою, в якості ключової величини обирають тиск?

4. Чим схожі і чим відрізняються стала Больцмана та стала Авогадро?

5. Виходячи з визначального рівняння тиску, виведіть основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії.

6. На основі аналізу основного рівняння м.к.т. визначте залежність тиску газу від його густини.

Вправа 5.

1.Густина газу при тиску 100кПа становить 1,43кг/м3. Визначте середню квадратичну швидкість молекул цього газу.

2. Визначте концентрацію молекул газу при температурі 27ºС і тиску в одну атмосферу. Чи залежить ця концентрація від сорту газу?

3. В посудині об’ємом 1л знаходиться 2г кисню і 4г азоту. Який тиск суміші цих газів при температурі 27ºС?

4. Як визначити густину газу не вимірюючи його об’єму та маси? Хімічна формула молекул газу відома.

5. В лабораторних умовах при температурі 20ºС створено глибокий вакуум який відповідає тиску 1,33∙10-9Па. Скільки молекул залишатиметься при цьому в кожному см3 даного вакууму?

6. В циліндрі під поршнем площею 100см2 знаходиться 20г азоту при температурі 0ºС. На яку висоту підніметься поршень при нагріванні газу на 100ºС? Маса поршня 50кг. Атмосферний тиск 100кПа .

 

§12. Розв’язування задач. Тема: термодинамічні процеси в графіках.

 

Термодинамічні процеси часто представляють у вигляді відповідних графіків. Розв’язуючи конкретні задачі, ви не лише познайомитесь з фізичною суттю цих графіків, а й отримаєте певні практичні навички їх побудови та аналізу. Відразу ж зауважимо, що в різних системах координат графічне відображення одного і того ж термодинамічного процесу виглядає по різному. Зокрема на мал.24* представлені загальні вигляди ізотерм, ізобар та ізохор в різних системах координат.

Мал.24* Загальні вигляди ізотерм, ізобар та ізохор в різних системах координат.

Задача 1. На малюнку зображено дві ізобари, побудовані для однієї і тієї ж маси газу. Порівняйте тиски цих газів. Зробіть узагальнюючий висновок.

   

Рішення.

Оскільки мова йде про одну і ту ж масу газу, то можна стверджувати, що згідно з об’єднаним газовим законом  p1V1/T1=p2V2/T2

Із аналізу графіків видно, що при одній і тій же температурі (Т12) гази мають різні об’єми. При цьому, V1 ˃ V2. А це означає що  р1 ˂ р2. Дійсно, якщо Т12   і  V1 ˃ V2 , то із p1V1/T1=p2V2/T2 випливає, що  р1 ˂ р2.

Висновок. Нахил ізобари залежить від тиску газу: чим більший тиск, тим менший нахил (відносно осі температур).

Задача 2.  За заданим графіком термодинамічного процесу опишіть цей процес (ділянка 2-3 є ізотермою).  Побудуйте графіки цього процесу в координатах р-Т і V-Т.

Рішення.

На основі почергового аналізу кожної ділянки заданого графіку та застосування

об’єднаного газового закону (рV/T=const) можна зробити наступні висновки.

На ділянці 2-3 газ ізотермічно (Т=const)  розширюється. При цьому:

– об’єм газу збільшується (V↑),

– тиск газу зменшується (р↓),

– виконується співвідношення рV=const.

На ділянці 1-2, об’єм газу залишається незмінним (V=const), а його тиск збільшується (р↑). А це означає, що на цій ділянці газ ізохорично нагрівається. При цьому:

– температура газу збільшується (Т↑),

– тиск газу збільшується (р↑),

– виконується співвідношення р/V=const.

На ділянці 3-1, тиск газу залишається незмінним (р=const), а його об’єм зменшується (V↓). А це означає, що на цій ділянці газ ізобарично охолоджується. При цьому:

– температура газу зменшується (Т↓),

– об’єм газу зменшується (V↓),

– виконується співвідношення V/T=const.

Графічно зображаючи заданий термодинамічний процес в координатах р-Т  і х-Т, будемо керуватися наступними рекомендаціями:

1). Задані на базовому графіку початкові і кінцеві значення величин (р0, рк, V0, Vк) на відповідних осях кожного графіку мають бути однаковими.

2). За відсутності додаткової інформації, початкове значення тієї величини яка на базовому графіку кількісно не представлена ( в нашому випадку, початкове значення температури Т0), обирається довільно. При цьому кінцеве значення цієї величини, визначається на основі відомих співвідношень. Наприклад, в нашому випадку V0/T0=Vk/Tk, звідси Тк0Vk/V0.

3). У відповідних системах координат, ізобара та ізохора проходять через точку Т=0К (або  =-273ºС).

Керуючись цими рекомендаціями, виконуємо відповідні побудови.

 

 

Задача 3. Графік термодинамічного процесу в координатах V-Т має вигляд кола. На якій ділянці цього графіку  тиск газу збільшується а на якій – зменшується?

Рішення.

Розв’язуючи задачу 1, ми з’ясували, що нахил ізобари (α) залежить від тиску газу: при зростанні тиску (р↑) цей нахил зменшується (α↓) і навпаки. А це означає, що для даного колового процесу, найбільший тиск буде в тій точці через яку пройде ізобара з найменшим нахилом, тобто в точці D.  А найменший тиск буде в тій точці через яку пройде ізобара з найбільшим нахилом, тобто в точці B. Із вище сказаного ясно, що на ділянці B-C-D тиск зростає, а на ділянці D-A-B – падає.

Задача 4.   За заданим графіком термодинамічного процесу, визначити характер зміни об’єму газу (маса газу незмінна).

Рішення.

Оскільки лінія заданого теплового процесу не проходить через точку Т=0К, то ця лінія не є ізохорою (V≠const). Для з’ясування того, як в заданому термодинамічному процесі змінюється об’єм газу, виконуємо декілька додаткових побудов. По перше, через точки 1 і 2  проводимо дві ізохори (V1=const, V2=const).  По друге, проводимо довільну ізотерму  (Т=const) яка перетинає обидві ізохори.

Із аналізу проведених побудов видно, що при Т=const:  р1 ˃ р2. А це означає, що згідно з законом Бойля – Маріотта (p1V1=p2V2), об’єм газу в точці 1 має бути меншим за його об’єм в точці 2: V1 ˂ V2 . Таким чином, в заданому термодинамічному процесі об’єм газу збільшується.

Задача 5.  За заданим графіком термодинамічного процесу, визначити температуру газу в

точках 2, 3, 4, якщо відомо, що в точці 1 ця температура становить Т0. Маса газу незмінна.

Рішення.

Оскільки на ділянці 1→2 об’єм газу залишається незмінним (V=const), то згідно з законом Шарля:   р1122  або  Т21р21 . Враховуючи, що Т10 , р10, р2=3р0, можна записати  Т20(3р00)=3Т0 .

Оскільки на ділянці 2→3 тиск газу залишається незмінним (р=const), то згідно з законом Гей-Люсака:  V2/T2=V3/T3  звідси T3=T2(V3/V2). Враховуючи що   T2=3T0, V2=V0, V3=2V0, можна записати  : T3=3T0(2V0/V0)=6T0.

Оскільки на ділянці 3→4 об’єм газу залишається незмінним (V=const), то згідно з законом Шарля: р3344 , звідси  Т4343). Враховуючи що  Т3=6Т0 , р3=3р0 , р40 , можна записати: Т4=6Т00/3р0)=2Т0 .

Відповідь: Т10 ;  Т2=2Т0 ;  Т3=6Т0 ;  Т4=2Т0 .

Задача 6.  Поясніть зображені на графіку процеси, якщо відомо, що відповідний газ знаходиться в посудині об’ємом V.

 

Рішення.

Оскільки лінія графіку 1 проходить через точку t= -273ºC,  то цій лінії відповідає певний ізохоричний процес, тобто такий процес при якому маса газу та його об’єм залишаються незмінними: m=const, V=const. При цьому, із аналізу малюнку ясно, що в процесі нагрівання газу (Т↑) тиск газу збільшується (р↑).

Із аналізу графіку 2 видно, у відповідному термодинамічному процесі, зростання температури газу (Т↑) не супроводжується зростанням його тиску (р=const). З іншого боку, за умовою задачі об’єм тієї посудини в якій знаходиться газ, теж залишається незмінним. Це означає, що ми маємо ситуацію при якій Т↑, р=const, V=const.  І не важко збагнути, що такий процес можливий лише в тому випадку, якщо та посудина в якій знаходиться газ не герметична, і тому в процесі нагрівання, певна частина газу витікає за межі посудини. При цьому витікає таким чином, що зменшення тиску газу за рахунок його витікання, в точності компенсується його збільшенням за рахунок підвищенні температури.

Із аналізу графіку 3 (Т↑, р↓, V=const) ясно, що такий процес можливий лише в тому випадку, коли газ витікає з посудини настільки інтенсивно, що відповідна втрата тиску перевищує те його збільшення яке обумовлено нагріванням газу.

Вправа 6.

1. На графіку зображено дві V1 ізохори побудовані для однієї і тієї ж маси газу. Порівняйте  об’єми цих газів. Зробіть узагальнюючий висновок.

2. На графіку зображено дві p T1 і р T2 ізотерми, побудовані для однієї і тієї ж маси газу. Порівняйте температури цих газів. Зробіть узагальнюючий висновок.

  

 

3. За заданим графіком термодинамічного процесу, опишіть цей процес.

  

 

§13. Пари та їх властивості. Насичені і ненасичені пари. Випаровування та кипіння.

 

Нагадаємо. Парами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при до критичних температурах (t ˂ tкр). Це означає що: а) середня кінетична енергія молекул пару не набагато більша за їх середню потенціальну енергію (Ек > Еп);  б) пар можна перетворити на відповідну рідину шляхом його ізотермічного стиснення. (мал.16).

Процес який відбувається з поглинанням енергії та супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний, називається пароутворенням. Зворотній процес, тобто процес який відбувається з виділенням енергії та супроводжується переходом речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією (від лат. condensatio – згущення, ущільнення).

Загально відомо, що в герметично закритій посудині, рівень рідини з плином часу залишається незмінним. А це означає, що між рідиною і тим паром що знаходиться над нею, існує певна динамічна рівновага, тобто такий стан кругообігу їх молекул, при якому інтенсивність випаровування рідини дорівнює інтенсивності конденсації її пару. Пар, що знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною називають насиченим паром.

На відміну від газів, густина і тиск насиченого пару не змінюється шляхом його стиснення чи розширення. І це закономірно. Адже при зменшені об’єму системи пар-рідина (мал.25а), певна частина пару перетворюється на рідину. А при збільшені цього об’єму (мал.25б), певна частина рідини перетворюється на пару. По суті це означає, що стосовно насичених парів, газові закони не виконуються. Адже не виконується основна вимога цих законів: маса газу має бути постійною.

Мал.25. Тиск насиченого пару не можна змінити шляхом зміни його об’єму.

Дослідження показують, що тиск, а отже і густина насиченого пару визначальним чином залежать від двох обставин: індивідуальних властивостей відповідної рідини та температури системи рідина-пар. При цьому, в процесі підвищення температури, тиск насиченого пару збільшується, а при зниженні температури – зменшується. Однак, якщо в процесі ізохоричного (V=const; m=const) нагрівання газу, його тиск зростає лінійно і відносно повільно (при нагріванні від 0ºС до 273ºС тиск газу збільшується вдвічі), то в процесі відповідного нагрівання системи рідина-пар, тиск насиченого пару зростає параболічно швидко. Характер цього зростання представлено на мал. 26. Зверніть увагу на факт того, що тиск насиченого пару в одну атмосферу (101кПа) відповідає температурі кипіння відповідної рідини.

Мал.26. З підвищенням температури, тиск насиченого пару швидко збільшується.

Чому ж в процесі підвищення температури, тиск насичених парів зростає набагато швидше аніж тиск газів? Щоб відповісти на це запитання, давайте згадаємо що таке тиск і від чого він залежить. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, тиск газоподібної речовини, це результат ударів молекул цієї речовини по відповідній поверхні. При цьому, згідно з основним рівнянням м.к.т. газів (p=(1/3)n0m0v2=(2/3)n0Ek), величина цього тиску залежить від концентрації молекул (n0) та їх середньої кінетичної енергії (Ek). І не важко збагнути, що при ізохоричному (V=const) нагріванні газу, збільшення тиску відбувається лише за рахунок збільшення кінетичної енергії його молекул (Ек↑; n0=const). При аналогічному ж нагріванні насиченого пару, тиск збільшується як за рахунок збільшення кінетичної енергії молекул, так і за рахунок збільшення їх концентрації (Ек↑;n0↑). При цьому, в процесі зростання температури, роль другого чинника (n0↑) стає все більш і більш визначальною.

Пари можуть бути не лише насиченими, а й ненасиченими. Наприклад, якщо після повного випаровування рідини (мал.27), об’єм пару збільшити, то цей пар стане ненасиченим, тобто таким густина якого менша за густину відповідного насиченого пару (ρ ˂ ρн). Іншими словами, ненасиченим паром називають такий пар, густина якого менша за густину відповідного за температурою насиченого пару.

В загальних рисах, спрогнозувати поведінку ненасиченого пару не важко. Дійсно. Якщо пар ненасичений, то будь яка зміна його об’єму не призводить до перетворення пару на рідину. Тому, коли об’єм ненасиченого пару збільшується то його тиск (а відповідно і густина) зменшується. А коли цей об’єм  зменшується то тиск (густина) відповідно збільшується. Звичайно до тих пір поки пар не стане насиченим.

Мал.27.  При зміні об’єму, тиск насиченого пару не змінюється, а тиск ненасиченого пару – змінюється.

Враховуючи факт того, що в процесі зміни як об’єму так і температури, маса ненасиченого пару залишається незмінною, можна передбачити, що термодинамічна поведінка ненасиченого пару має описуватись газовими законами. Однак, дослідження показують, що дане передбачення не є безумовно правильним, і що газові закони погано відображають реальні властивості ненасичених парів.

Даний факт пояснюється тим, що для парів, кінетична енергія молекул не настільки сильно перевищує енергію їх взаємодії, щоб останню можна було не враховувати. Це означає, що молекули пару не надто схожі на  пружні кульки. Вони скоріш нагадують кульки виготовлені з липкої гуми. При взаємодії такі кульки можуть як відскакувати одна від одної (якщо їх швидкості достатньо великі), так і прилипати одна до одної (якщо їх швидкості відносно малі).

Розрізняють дві різновидності пароутворення: випаровування та кипіння. Випаровування, це таке пароутворення, яке відбувається при будь якій температурі рідини і при якому перехід речовини з рідкого стану в газоподібний здійснюється лише з вільної поверхні рідини. Інтенсивність випаровування залежить від сорту рідини та її температури: з підвищенням температури, інтенсивність випаровування збільшується і навпаки.

Дослідження показують, що в процесі випаровування температура рідини знижується, а в процесі конденсації – підвищується. І це закономірно. Адже температура характеризує середню кінетичну енергію теплового руху молекул. А це означає, що при одній і тій же температурі, в будь якій речовині зустрічаються молекули, кінетична енергія яких як значно більша так і значно менша за середню величину. Ясно, що в процесі випаровування, рідину покидають найбільш енергійні (найбільш “гарячі”) молекули. При цьому загальний енергетичний рівень тих молекул які залишаються в рідині стає відповідно меншим. А отже меншою стає і температура рідини. З іншого боку, в процесі конденсації, ті молекули пару які “падають” в рідину, в процесі падіння отримують певну кількість додаткової енергії, а отже стають відповідно більш “гарячими”. Це аналогічно тому, як підняте над землею нерухоме (“холодне”) тіло, в процесі падіння збільшує свою кінетичну енергію і падає на землю відповідно більш “гарячим”.

Факт того, що в процесі випаровування, температура речовини знижується, а в процесі конденсації – підвищується, корисно застосовується в багатьох технічних приладах, зокрема в холодильниках (мал.28).

  

Мал.28.  Загальний устрій та принципова схема холодильника.

Холодильна установка представляє собою замкнуту герметичну систему, заповнену речовиною яка легко переходить з газоподібного стану в рідкий і навпаки. Зазвичай, цією речовиною є фреон (фреони – технічна назва групи фторовмісних речовин, які мають відносно низьку температуру кипіння, наприклад для фреону СF2Cℓ2 ця температура становить -29ºС). Основними технічними елементами холодильника є компресор (4), капілярна трубка (2), конденсатор-теплообмінник (1), випаровувач-морозильна камера (3).

Принцип дії холодильника полягає в наступному. Компресор у поєднанні з капілярною трубкою, створює в системі теплообмінника зону підвищеного тиску (≈1,6атм), а в системі морозильної камери – зону зниженого тиску (≈0,6атм). В такій ситуації, та рідина, яка через вузьку капілярну трубку потрапляє в систему морозильної камери (випаровувач) швидко випаровується і охолоджується до температури -20ºС. Проходячи трубками морозильної камери, холодний пар охолоджує навколишній простір і за рахунок отриманої від нього енергії, нагрівається до температури -5ºС (вказані числові значення тисків та температур є усередненими). Потрапляючи через компресор в зону підвищеного тиску (в систему теплообмінника), цей пар швидко конденсується. При цьому виділяється велика кількість енергії, за рахунок якої сконденсована рідина нагрівається до температури +50ºС. Проходячи трубками теплообмінника, гаряча рідина частину своєї енергії віддає навколишньому середовищу і охолоджується до температури +20ºС. Ця охолоджена рідина, через капілярну трубку знову потрапляє в систему морозильної камери. Знову випаровується, охолоджується і т.д.

Таким чином, в процесі замкнутого кругообігу, робоче тіло холодильника, в одному місці охолоджується, а в  іншому – нагрівається. При цьому холодильник, з одного боку є джерелом холоду, а з іншого – джерелом тепла. Не важко збагнути, що розмістивши морозильну камеру холодильника в одній кімнаті, а його теплообмінник в іншій, можна змусити один і той же прилад виконувати дві корисні роботи. І ці дві послуги коштуватимуть нам як одна. Втім, потенціальні можливості холодильника не завжди співпадають з нашими практичними потребами. До числа тих приладів принцип дії яких є аналогічним принципу дії холодильника, відносяться різноманітні кондиціонери та так звані теплові насоси.

Випаровування, це відносно спокійний вид пароутворення при якому утворення пару відбувається лише з вільної поверхні рідини, тобто з тієї поверхні яка контактує з навколишнім газоподібним середовищем. Однак утворення пару може відбуватись і в усьому об’ємі рідини. Це інтенсивне пароутворення називають кипінням.

Кипіння – це таке інтенсивне пароутворення, яке відбувається при певній постійній температурі (температурі кипіння) і при якому утворення пару відбувається в усьому об’ємі рідини. Візуальною ознакою кипіння є утворення наповнених паром бульбашок. І потрібно зауважити, що той процес який ви спостерігаєте при відкриванні газованих напоїв і який також супроводжується виділенням бульбашок, не є кипінням. Адже цей процес пов’язаний не з пароутворенням рідини, а з фактом того, що відповідну рідину під певним надлишковим тиском, примусово перенаситили вуглекислим газом, який при зменшенні зовнішнього тиску, виділяється у вигляді бульбашок.

Не заглиблюючись в деталі процесу кипіння, зауважимо. Активна фаза кипіння починається тоді, коли температура рідини в місці її контакту з поверхнею нагріву стає такою, при якій тиск насиченого пару (рн) мінімально перевищує зовнішній тиск (р0). При цій температурі, об’єм тих мікро бульбашок які неминуче присутні на поверхні нагріву, починає швидко збільшуватись. Збільшуватись за рахунок того пару що інтенсивно заповнює їх внутрішній простір. У підсумку, заповнена насиченим паром об’ємна бульбашка відривається від поверхні нагріву, а на її місці залишається нова мікро бульбашка.

  

Мал.29. Кипіння супроводжується утворенням заповнених паром рідини бульбашок.

Коли ми стверджуємо, що кипіння відбувається при певній постійній температурі, то маємо на увазі факт того, що величина цієї температури не залежить ні  від тривалості процесу кипіння ні від його інтенсивності. Скажімо, якщо ви збільшите інтенсивність того вогню що підтримує процес кипіння води, то це не призведе до підвищення температури кипіння. Просто інтенсивність процесу кипіння стане більшою.

Мал.30 Температура кипіння практично не залежить ні від тривалості процесу кипіння, ні від інтенсивності цього процесу.

З іншого боку, твердження про те, що кипіння відбувається при певній постійній температурі, зовсім не означає що ця температура є абсолютно незмінною. Адже кипіння відбувається при тій температурі, при якій тиск насиченого пару рідини дорівнює зовнішньому тиску на її поверхню. А це означає, що зменшуючи зовнішній тиск, ми створюємо умови за яких кипіння відбувається при меншій температурі. І навпаки, збільшуючи зовнішній тиск, ми створюємо умови, за яких кипіння відбувається при більш високій температурі. Тому, коли ми стверджуємо, що вода кипить при температурі 100ºС, то маємо на увазі, що це кипіння відбувається за нормального атмосферного тиску. Якщо ж тиск над поверхнею води змінювати, то відповідно змінюватиметься і температура її кипіння. Наприклад, під тиском 2атм вода кипить при температурі 120ºС, під тиском 20атм – при температурі 211ºС,  під тиском 0,5атм – при температурі 80ºС, а під тиском 0,01атм – при температурі 6,7ºС.

  

Мал.31. Температура кипіння певним чином залежить від величини зовнішнього тиску.

Факт залежності температури кипіння речовини від величини зовнішнього тиску, корисно застосовується в приладах які називаються автоклавами. Автоклав – це прилад, в якому ті чи інші технологічні процеси відбуваються при тисках більших атмосферного та відповідно більш високих температурах кипіння рідини. Автоклав представляє собою герметично закриту посудину, яка обладнана запобіжним клапаном і в якій міститься певна кількість рідини (мал.32). Принцип дії цієї системи полягає в наступному. В процесі нагрівання рідини, тиск того пару що знаходиться над нею автоматично збільшується. При цьому рідина не закипає при все біль і більш високих температурах. Коли ж температура, а відповідно і тиск, системи рідина-пар досягає певної критичної величини, спрацьовує запобіжний клапан, який випускає частину пару, запобігаючи тим самим перегріву та руйнації системи. Автоклави застосовуються в медицині, харчовій, хімічній та інших галузях промисловості. Побутовою версією автоклаву є так звані скороварки.

   

Мал.32.  Схема загального устрою автоклава.

Температура кипіння рідини залежить не лише від зовнішнього тиску, а й від фізичних властивостей самої рідини. Скажімо, за нормального атмосферного тиску етиловий ефір кипить при температурі 35ºС, етиловий спирт – при температурі 78ºС, а рідкий кисень – при температурі -183ºС.

Факт того, що різні речовини мають різні температури кипіння, широко застосовується в багатьох технологічних процесах. Зокрема тих, які дозволяють із суміші речовин, виділити потрібну складову. Наприклад нафта, це складна суміш великої кількості хімічно різних компонентів (фракцій). При цьому, різні фракції цієї суміші мають суттєво різні температури кипіння. А це означає, що в процесі нагрівання нафти, спочатку випаровуватимуться фракції з найменшою температурою кипіння. Потім, фракції з більш високою температурою кипіння і т.д. При цьому, фізично однорідна нафта, розділяється на бензин, лігроїн, гас, газойль та мазут.

 

Словник фізичних термінів.

         Пароутворення – це такий тепловий процес, який відбувається з поглинанням енергії та супроводжується переходом речовини з рідкого стану в газоподібний.

Конденсація – це такий тепловий процес, який відбувається з виділенням енергії та супроводжується переходом речовини з газоподібного стану в рідкий.

Випаровування – це таке пароутворення, яке відбувається при будь якій температурі рідини і при якому перехід речовини з рідкого стану в газоподібний здійснюється лише з вільної поверхні рідини.

Кипіння – це таке пароутворення, яке відбувається при певній постійній температурі (температурі кипіння) і при якому утворення пару відбувається в усьому об’ємі рідини.

Температура кипіння – це така постійна для даного зовнішнього тиску і даної речовини температура, при якій, тиск насиченого пару рідини в точності дорівнює тому зовнішньому тиску що діє на поверхню цієї рідини.

         Насиченим паром називають такий пар, що знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною. Насичений пар має гранично велику для даної температури густину (ρн) і створює відповідний гранично великий тиск (рн).

Ненасиченим паром називають такий пар, густина якого менша за густину відповідного за температурою насиченого пару (ρ ˂ ρн).

Контрольні запитання.

1.Чому в процесі випаровування температура рідини знижується, а в процесі конденсації – зростає?

2. Поясніть будову та принцип дії холодильника.

3. Що мають на увазі коли стверджують, що кипіння відбувається при певній постійній температурі?

4. При відкриванні посудини з газованою водою відбувається інтенсивне виділення бульбашок. Чи означає цей факт що вода кипить? Поясніть дане явище.

5. Що означає твердження: пар знаходиться в стані динамічної рівноваги зі своєю рідиною?

6.  Чому, в процесі зміни об’єму, густина насиченого пару не змінюється?

7. Чому, в процесі збільшення температури, тиск насиченого пару зростає значно швидше аніж тиск газу?

 

§14. Критичний стан речовини.

 

Нагадаємо. Парами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при докритичній температурі (t ˂ tкр). Газами називають такі газоподібні речовини, які знаходяться при закритичній температурі (t ˃ tкр). Що ж це за магічна температура яку називають критичною? Відповідаючи на це запитання можна сказати наступне.

По суті різниця між рідиною та її насиченим паром полягає в суттєвій різниці їх густини. Скажімо при температурі 4ºС густина води 1,0∙103кг/м3, а густина її насиченого пару 6,4∙10-3кг/м3. Візуальним відображенням цієї різниці густин є та межа, яка називається поверхнею рідини і яка відділяє рідину від її пару.

       

Мал.33. Різниця між рідиною та її паром в суттєвій різниці їх густини.

Відомо, що в процесі нагрівання, рідини розширюються і що тому їх густина зменшується. Відомо і те, що густина насиченого пару залежить від температури і що з підвищенням температури ця густина збільшується. А якщо в процесі нагрівання, густина рідини зменшується, а густина її насиченого пару збільшується, то логічно передбачити, що за певних умов ці густини зрівнюються, і що при цьому різниця між рідиною та її насиченим паром зникне. Перевіряючи це теоретичне передбачення звернемось до експерименту. З цією метою, спеціальну скляну ампулу з певною кількістю етилового ефіру помістимо в невеличку металеву скриньку з скляним віконцем (мал.34а).

  

Мал. 34.  Прилад для ілюстрації критичного стану речовини.

Нагріваючи скриньку, а отже і ту ампулу що в ній знаходиться, ви побачите наступне (мал.34б). В процесі нагрівання, та рідина що знаходиться в ампулі буде поступово розширюватись. При цьому її густина буде відповідно зменшуватись, а густина насиченого пару, збільшуватись. У підсумку, при температурі 194ºС, та видима межа, що розділяє рідину і її насичений пар повністю зникає і в ампулі залишається однорідна прозора речовина. Припинивши подальше нагрівання і дочекавшись того моменту коли газоподібна речовина охолоне до температури 194ºС, ви побачите, що при цій температурі, в ампулі швидко утвориться густий туман конденсованого ефіру, і що після розсіювання цього туману, з’являються дві чітко окреслені фази речовини: рідина та її пар.

Вище описані експериментальні результати можна представити у вигляді наступного графіку.

Мал.35.  При критичній температурі різниця між рідиною та її насиченим паром повністю зникає.

Таким чином, експериментальні дослідження показують, що при певній температурі та їй відповідному тиску, густина рідини (ρр) і густина її насиченого пару (ρн) стають чисельно рівними. При цьому, будь які відмінності між рідиною та її насиченим паром повністю зникають. Той стан нестійкої рівноваги між рідиною та її насиченим паром, при якій густина рідини та густина пару стають чисельно рівними і при якому будь які відмінності між рідиною та її паром зникають, називають критичним станом речовини. Критичному стану речовини, відповідає певна критична температура (Ткр або tкр), певний критичний тиск (ркр) та певна критична густина (ρкр). Числові значення критичних параметрів деяких речовин представлені в таблиці.

Таблиця.

Критичні параметри та температури кипіння деяких речовин.

        Речовина                   Критичні    параметри Температура

кипіння (ºС)

    tкр (ºС)    ркр (атм)   ρкр (кг/м3)
вода 374,2 218,5 320 100,0
спирт етиловий 243,1 63,0 270 78,4
ефір етиловий 193,8 35,5 260 34,6
аміак 132,4 111,5 240 -33,3
вуглекислий газ 31,0 72,9 470 -78,5
кисень -118,4 50,0 410 -183,0
азот -147,0 33,5 310 -195,8
водень -240,0 12,8 31 -252,8
гелій -267,9 2,25 70 -268,9

 

Дослідження показують, що для води критична температура становить 374, 2ºС. На перший погляд, така температура не є занадто високою. Адже нагріти шматок заліза до температури 300ºС, 500ºС ба навіть 1000ºС не є складною задачею. Інша справа, нагрівання води. Адже при температурі 100ºС вода закипить і скільки ти б її не грів і на якому б потужному полум’ї не нагрівав, вона гарячішою не стане. Для того щоб нагріти воду до більш високої температури, її потрібно нагрівати в герметично закритій посудині. При цьому в процесі нагрівання, тиск в цій посудині неухильно зростатиме і при температурі 374,2ºС досягне позначки 218,5 атмосфер. А це еквівалентно тому тиску який створює стовп з 218,5 бетонних блоки масою по 10,3тони кожний, спираючись на поверхню площею 1м2 . Ясно, що в побутовій практиці тих каструль які б витримували такий шалено великий тиск не існує. Тому в умовах повсякденного життя, ви ніколи не зустрінете воду нагріту до критичної, а тим більше закритичної температури.

Критична температура є надзвичайно важливим параметром будь-якої хімічно простої речовини. Адже саме ця температура є тією чітко визначеною межею яка розділяє газоподібний стан речовини на дві суттєво різні різновидності цього стану: при  t ˂ tкр – пар, при t ˃ tкр – газ. По суті, при докритичних температурах  (t ˂ tкр) речовина може бути в трьох агрегатних станах: твердому, рідкому та газоподібному. При закритичних температурах  (t ˃ tкр), речовина може знаходитись лише в одному агрегатному стані – газоподібному, а точніше, в стані газу (мал.) Вона стає газом навіть в тому випадку, якщо при докритичній температурі була рідиною. Наприклад вода, при закритичній температурі (t ˃ 374,2ºС) перестає бути рідиною і автоматично стає газом відповідної густини. Інша справа, що нагріти воду до закритичних температур надзвичайно складно.

Мал.36. При докритичних температурах, речовина може бути твердою, рідкою чи газоподібною. При закритичних – лише газоподібною.

Оскільки ті газоподібні речовини які знаходяться при закритичній температурі (t ˃ tкр) називаються газами, а ті які знаходяться при докритичній температурі (t ˂ tкр) – парами, то ясно, чому за наявних земних умов (-50ºC ˂ t ˂ 50ºC), газоподібний кисень, газоподібний азот та газоподібний водень називають газами, а газоподібну воду, газоподібний спирт та газоподібний аміак, називають парами. До речі, якщо виходити “з букви закону”, то потрібно визнати, що в області помірних температур (до 31ºС), назва “вуглекислий газ” не є правильною. Адже вуглекислий газ фактично стає газом лише при температурах вищих за 31ºС. При нижчих температурах, цей газ фактично є паром вуглекислоти (СО2).

Тепер, коли ви знаєте про суть тих відмінностей що існують між паром та газом, не важко збагнути, що для перетворення газу на відповідну рідину, цей газ спочатку потрібно охолодити до певної докритичної температури (тобто перетворити на пар), а лише потім сконденсувати у відповідну рідину. Наприклад для того, щоб отримати рідкий кисень, його потрібно охолодити до температури нижчої за -118,4ºС. Однак, якщо ви захочите отримати таку рідину яку можна зберігати при нормальному атмосферному тиску, то її потрібно охолодити до температури нижчої за температуру кипіння відповідної рідини. Наприклад для кисню ця температура становить -183ºС. Власне при таких наднизьких температурах і зберігають рідкий кисень.

Доречно зауважити і те, що критичний стан речовини це такий динамічно нестійкий стан, при якому відповідна речовина одночасно є і рідиною, і паром, і газом. При цьому, при закритичній температурі, речовина автоматично стає газом, а при докритичній температурі вона, в залежності від тиску та густини може бути або рідиною, або паром, або частково рідиною а частково паром.

Словник фізичних термінів.

         Критичний стан речовини – це такий стан динамічної рівноваги між рідиною та її насиченим паром, при якому густина рідини і густина пару є чисельно рівними і при якому будь які відмінності між рідиною та її паром зникають. Критичний стан речовини характеризується певною критичною температурою (tкр) та певним критичним тиском(ркр).

Контрольні запитання.

1.Якщо вода та її пари складаються з одних і тих же молекул, то чим відрізняється вода-рідина від води-пару?

2. Які параметри характеризують критичний стан речовини?

3. Який факт вказує на те, що в процесі нагрівання густина рідини зменшується?

4. Чи можна вуглекислий газ при кімнатній температурі (20ºС) перетворити на відповідну рідину?

5. Вантаж якої маси потрібно поставити на поверхню площею 1м2, щоб створений ним тиск становив 218,5атм?

6. Що потрібно зробити для того, щоб отримати такий рідкий кисень, який можна зберігати при атмосферному тиску?

 

§15. Вологість повітря та способи її вимірювання.

 

В атмосферному повітрі неминуче міститься певна кількість водяного пару. І це закономірно. Адже більша частина поверхні земної кулі вкрита водою, яка, як відомо, випаровується. І випаровується її надзвичайно багато. Дослідження показують, що на Землі щорічно в пар перетворюється близько 450 000км3 води (450·1012 тон). А це більше ніж її міститься в 1750 Азовських морях. При цьому абсолютно очевидно, що атмосферна волога знаходиться в постійному кругообігу. Адже паралельно з процесом випаровування неминуче відбувається і зворотній процес – процес конденсації. А це означає що ті 450 трильйонів тон води які щорічно випаровуються з поверхні Землі, неминуче повертаються на цю поверхню у вигляді дощу, снігу, роси, туману, тощо.

Кількість того водяного пару (вологи) що міститься в атмосферному повітрі, прийнято характеризувати двома величинами: абсолютна та відносна вологість повітря.

Абсолютна вологість повітря – це фізична величина, яка характеризує фактичну густину того водяного пару що міститься в повітрі і яка дорівнює цій густині.

Позначається:  ρа

Визначальне рівняння:  ρа = m(H2O)/V

Одиниця вимірювання:   [ρа]=кг/м3 , або  [ρа]=г/м3.

З точки зору наших відчуттів, абсолютна вологість не є надто зручною величиною. Ця незручність полягає в тому, що при одній і тій же абсолютній вологості повітря, наші відчуття можуть бути суттєво різними. Наприклад, якщо абсолютна вологість повітря становить 6г/м3, то при температурі 5ºС це повітря ми будемо сприймати як надмірно вологе, а при температурі 25ºС – як надмірно сухе. Пояснюючи такий стан речей можна сказати наступне.

Наше сприйняття вологості є реакцією організму на результуючу двох споріднених процесів: процесу випаровування та процесу конденсації. При цьому, якщо кількість тієї вологи яку втрачає організм в процесі випаровування, значно перевищує ту кількість вологи яку він отримує в процесі конденсації, то відповідне повітря викликає у нас відчуття сухості. Якщо ж кількість випаруваної та конденсованої вологи приблизно однакова, то таке повітря ми сприймаємо як надмірно вологе.

По суті це означає, що наші відчуття визначальним чином залежать не від абсолютної вологості повітря, а від того наскільки ця вологість відрізняється від максимально можливої для даної температури вологості. Іншими словами, з точки зору наших відчуттів, більш вдалою характеристикою вологості повітря є не його абсолютна вологість, а величина яка дорівнює відношенню абсолютної вологості повітря до густини відповідного даній температурі насиченого пару. Цю величину прийнято називати відносною вологістю повітря.

Відносна вологість повітря – це фізична величина яка характеризує відносну вологість повітря і яка дорівнює відношенню фактичної густини того пару що знаходиться в повітрі (абсолютної вологості повітря), до його максимально можливої при даній температурі густини (густини насиченого пару).

Позначається:  В

Визначальне рівняння:  В = (ρан)100%

Одиниця вимірювання:  [В] = % .

Дослідження показують, що для організму людини, максимально комфортною є ситуація при якій відносна вологість повітря знаходиться в межах від 40 до 60 відсотків. При цьому повітря, відносна вологість якого менша 40% вважається в тій чи іншій мірі сухим. А повітря, відносна вологість якого більша 60%, вважається в тій чи іншій мірі надмірно вологим.

Зважуючи на ці обставини та враховуючи факт того, що в процесі зростання температури, густина насиченого пару збільшується (дивись табл.) не важко пояснити чому, одне і те ж повітря (ρа=const) при різних температурах сприймається по різному. Дійсно. Якщо абсолютна вологість повітря 6,0г/м3, то при температурі 5ºС (для цієї температури ρн=6,8г/м3) його відносна вологість 88%, а при температурі 25ºС (для цієї температури ρн=23,0г/м3) – всього 26%.

                                                                                                                 Таблиця.

Густина насиченого водяного пару при різних температурах.

t (ºC) ρн (г/м3) t (ºC) ρн (г/м3) t (ºC) ρн (г/м3)
0 4,8 12 10,7 24 21,8
1 5,2 13 11,4 25 23,0
2 5,6 14 12,1 26 24,4
3 6,0 15 12,8 27 25,8
4 6,4 16 13,6 28 27,2
5 6,8 17 14,5 29 28,7
6 7,3 18 15,4 30 30,3
7 7,8 19 16,3 40 51,2
8 8,3 20 17,3 50 83,0
9 8,8 21 18,3 60 130,0
10 9,4 22 19,4 80 293
11 10,0 23 20,6 100 598

 

Потрібно зауважити, що відносна вологість вдало характеризує зволоженість атмосферного повітря, не лише з точки зору наших суб’єктивних відчуттів, а й з точки зору переважної більшості тих природних процесів, які так чи інакше пов’язані з випаровуванням та конденсацією води. Наприклад інтенсивність процесу висушування білизни, деревини, фруктів та інших об’єктів, визначальним чином залежить не від абсолютної вологості повітря, а від його відносної вологості. Або, наприклад, поява конденсованої атмосферної вологи (туману, роси, інею, тощо) відбувається не тоді, коли абсолютна вологість повітря є надто високою, а тоді коли його відносна вологість дещо перевищує 100%.

Дійсно. Припустимо, що в сонячний літній день, при температурі 25ºС абсолютна вологість повітря становить 16,3г/м3, що відповідає відносній вологості 71%. Припустимо також, що вночі температура повітря знизилась до 15ºС, тобто до температури при якій в одному кубічному метрі повітря може знаходитись не більше 12,8 грамів води. Ясно, що за таких умов, в кожному кубічному метрі повітря буде знаходитись 16,3–12,8=3,5г надлишкової вологи. Вологи, яка неминуче конденсується в росу, туман чи інші види опадів.

Температуру, при якій повітря в процесі охолодження стає насиченим водяними парами, прийнято називати точкою роси. Іншими словами, точка роси (позн. tр) це така температура, при якій абсолютна вологість повітря (ρа) в процесі охолодження стає рівною густині відповідного цій температурі насиченого пару (ρа = ρн(tр)). Скажімо, в умовах вище наведеного прикладу (t=25ºС; ρа=16,3г/м3), точкою роси є температура 19ºС (ρн(19ºС)=16,3г/м3).

Абсолютну та відносну вологість повітря вимірюють різними приладами, більшість з яких прийнято називати гігрометрами (від грец. hygros – волога, та metreo – вимірюю). До числа таких приладів відносяться: ваговий гігрометр, конденсаційний гігрометр, волосяний гігрометр та психрометр.

Ваговий гігрометр – це прилад, який дозволяє визначати абсолютну вологість повітря шляхом прямого вимірювання маси того пару що знаходиться в певному об’ємі повітря. Ваговий гігрометр (мал.37) представляє собою систему U-подібних трубок заповнених гігроскопічною речовиною. Принцип дії такої системи дуже простий. Через ваговий гігрометр, за допомогою насосу проганяється певна відома кількість атмосферного повітря. При цьому наявна в повітрі волога поглинається гігроскопічною речовиною і  стає відповідно важчою. Визначивши масу гігрометра до і після експерименту, а також знаючи об’єм того повітря що пройшло через гігрометр, не важко визначити відповідну абсолютну вологість повітря: ρа =∆m/V.

Мал.37.   Загальний вигляд вагового гігрометра.

Конденсаційний гігрометр – це прилад, який дозволяє визначати абсолютну та відносну вологість повітря шляхом експериментального вимірювання точки роси. Принцип дії конденсаційного гігрометра базується на наступних засадах. За визначенням В = (ρан)100%. Визначити густину насиченого пару (ρн) не важко. Для цього достатньо виміряти температуру повітря і за відповідною таблицею (табл.) визначити відповідну цій температурі густину насиченого пару.

Якщо ж говорити про густину того пару що фактично знаходиться в повітрі і яку називають абсолютною вологістю, то в загальному випадку ця густина є на відомою (ρа=?). Натомість відомо, що в процесі охолодження, пар рано чи пізно стає насиченим, тобто таким фактична густина якого дорівнює густині насиченого пару. А це означає, що визначивши ту температуру при якій повітря стає насиченим водяними парами (цю температуру називають точкою роси tр), ми за тією ж табл. можемо визначити абсолютну вологість повітря, яка фактично дорівнює густині насиченого пару для точки роси: ρан(tр).

Таким чином, для визначення абсолютної вологості повітря, необхідно експериментально визначити його точку роси. Власне для цього і призначений конденсаційний гігрометр. Цей прилад (мал.38а) представляє собою спеціальну ємність, передня металева стінка якої відполірована до дзеркального блиску. В верхній частині цієї ємності є невеличкий отвір, через який заливається рідина з високою інтенсивністю випаровування (зазвичай – етиловий ефір) і в який вставляється відповідних розмірів термометр. Крім цього, ємність з’єднана з гумовою грушою, за допомогою якої пари рідини виштовхуються назовню.

  

Мал.38. Загальний вигляд (а) та внутрішній устрій (б) конденсаційного гігрометра. Побутовий (в) та лабораторний (г) психрометри.

Принцип дії конденсаційного гігрометра полягає в наступному. В процесі інтенсивного випаровування, рідина (ефір), а разом з нею і відполірована поверхня гігрометра охолоджуються. При цьому охолоджується і те повітря що знаходиться в безпосередньому контакті з відповідною поверхнею. Коли температура цього повітря стане трішки нижчою за точку роси, наявний в ньому пар стане перенасиченим і почне конденсуватися. При цьому відполірована поверхня запітніє. Зафіксувавши температуру при якій починається це запітніння, ми по суті визначаємо точку роси для даного повітря. А знаючи точку роси, за відповідною таблицею (табл.) визначаємо і їй відповідну абсолютну вологість повітря: ρа = ρн(tр).

Таким чином, знаючи температуру повітря і визначивши його точку роси, можна визначити як абсолютну так і відносну вологість цього повітря. Наприклад, якщо температура повітря 20ºС, а його точка роси 12ºС, то ρн(20ºС)=17,3г/м3; ρан(12ºС)=10,7г/м3; В=ρн(12ºС)/ρн(20ºС)=(10,7/17,3)100% = 62%.

Психрометр (від грец. psicros – холодний) – це прилад, який дозволяє визначати відносну вологість повітря на основі показань сухого та зволоженого термометрів. Будова психрометра гранично проста (мал.38в). Він складається з двох однакових термометрів, термочутливий елемент одного з яких обгорнутий шматком змоченої у воді тканини. Принцип дії цієї простої системи полягає в наступному. Відомо, що в процесі випаровування, температура рідини знижується, а в процесі конденсації – підвищується. При цьому, не важко збагнути, що інтенсивність процесу конденсації певним чином залежить від вологості повітря: при високій вологості, кількість конденсованих молекул буде великою, а при низькій – малою. По суті це означає, що та різниця температур (∆t) яка існує між показаннями сухого і зволоженого термометрів, певним чином залежить від температури та  відносної вологості повітря. Дослідивши цю залежність вчені склали відповідну таблицю за допомогою якої і визначають відносну вологість повітря.

Потрібно зауважити, що зображений на мал.38(в) психрометр, має той недолік, що визначена на його основі відносна вологість, практично завжди є дещо завищеною. І це закономірно. Адже в тому місці де знаходиться зволожений термометр, вологість повітря дещо вища за її фактичну величину. Вища тому, що саме там і відбувається процес випаровування. А це означає, що зволожений термометр фактично реагує не на ту вологість яка є в кімнаті, а на ту яка існує в місці його знаходження. Запобігаючи цьому недоліку, в сучасних лабораторних психрометрах (мал.38г) передбачено примусове перемішування повітря, яке здійснюється за допомогою спеціального механічного або електричного вентилятора.

Вагові гігрометри, конденсаційні гігрометри та лабораторні психрометри, це прилади достатньо точні, надійні та об’єктивні. Однак їх практичне застосування потребує наявності певних знань та вмінь. Крім цього, дані прилади є приладами опосередкованої (непрямої) дії. Адже визначаючи вологість повітря, ми фактично вимірюємо не вологість, а інші, з нею пов’язані величини (масу, об’єм, температуру). Сама ж вологість визначається на основі відповідних вимірювань та відомих співвідношень. Ясно, що для побутової практики, такий опосередкований спосіб вимірювань є мало прийнятним.

В побутовій практиці, відносну вологість повітря зазвичай вимірюють гігрометрами прямої дії. Принцип дії цих гігрометрів базується на тому, що певні властивості деяких об’єктів, певним чином залежать від відносної вологості повітря. Наприклад, в сухому повітрі, клітини втрачають вологу і зменшуються в розмірах (всихають), а в вологому повітрі вони цю вологу накопичують і відповідно збільшуються в розмірах (набухають). А це означає, що лінійні розміри тих об’єктів які мають клітинну структуру, певним чином залежать від  відносної вологості повітря. Дослідивши цю залежність можна створити відповідний прилад прямої дії. Одним з таких приладів є так званий волосяний гігрометр.

Волосяний гігрометр – це прилад, який дозволяє вимірювати відносну вологість повітря за допомогою знежиреного волосся. Основним волого чутливим елементом волосяного гігрометра є знежирена волосина (або пучок таких волосин) яка певним чином з’єднана з рухомою стрілкою приладу (мал.39). Принцип дії такої системи полягає в наступному. При зміні відносної вологості повітря, довжина волосини певним чином змінюється. При цьому, стрілка приладу відхиляється і вказує на відповідну величину відносної вологості.

  

Мал.39.  Загальний устрій та зовнішній вигляд волосяного гігрометра.

З точки зору побутової зручності, волосяний гігрометр є надзвичайно вдалим приладом. Однак з точки зору наукової об’єктивності, він не є тим приладом, показанням якого можна безумовно довіряти. Адже в процесі експлуатації, волого чутливий елемент волосяного гігрометра практично неминуче змінює свої властивості, наприклад за рахунок того, що покривається тонким шаром жирів. А це означає, що користуючись волосяним гігрометром, потрібно періодично звіряти його показання з показаннями інших, більш надійних приладів, скажімо тих же конденсаційних гігрометрів чи психрометрів.

 

Словник фізичних термінів.

         Абсолютна вологість повітря – це фізична величина, яка характеризує фактичну густину того водяного пару що міститься в повітрі і яка дорівнює цій густині.

Позначається:  ρа

Визначальне рівняння:  ρа = m(H2O)/V

Одиниця вимірювання:   [ρа]=кг/м3, або  [ρа]=г/м3.

         Відносна вологість повітря – це фізична величина яка характеризує відносну вологість повітря і яка дорівнює відношенню фактичної густини того пару що знаходиться в повітрі (абсолютної вологості повітря), до його максимально можливої при даній температурі густини (густини насиченого пару).

Позначається:  В

Визначальне рівняння:  В = (ρан)100%

Одиниця вимірювання:  [В] = % .

         Точка роси (позн. tр) це така температура, при якій повітря (ρа) в процесі охолодження стає насиченим водяними парами (при t=tр,  ρа = ρн , В=100%).

Контрольні запитання.

1.Чому, з точки зору наших відчуттів, абсолютна вологість повітря не є зручною величиною.

2. Чому при зниженні температури в повітрі відчувається вогкість.

3. Як пояснити появу роси та туману?

4. Поясніть будову та принцип дії конденсаційного гігрометра.

5. Чим конденсаційний гігрометр схожий на холодильник.

6. Поясніть будову та принцип дії психрометра.

7. Поясніть будову та принцип дії волосяного гігрометра.

Вправа 6.

1.Яка абсолютна і відносна вологість повітря, якщо його температура 18ºС, а точка роси 10ºС.

2. Абсолютна вологість повітря при 28ºС становить 14г/м3, а при 2ºС – 4г/м3. В якому випадку за відчуттями, повітря буде більш вологим?

3. При 25ºС відносна вологість повітря становить 70%. Скільки вологи виділиться з кожного кубічного метра повітря, при його охолоджені до 16ºС ?

4. В складському приміщенні об’ємом 1500м3 при температурі 12ºС відносна вологість повітря 75%. Що потрібно зробити для того, щоб при температурі 22ºС вологість повітря становила 60%?

5. В приміщення потрібно подати 104м3 повітря з температурою 18ºС і відносною вологістю 60%. Що потрібно зробити з зовнішнім повітрям (його температура 10% , а відносна вологість 60%) щоб виконати поставлену задачу?

6. Визначте густину насиченого водяного пару при температурі 100ºС.

 

§16. Атмосфера Землі.

 

Термін атмосфера походить від двох грецьких слів atmos – пар; sphaira – куля, сфера. Атмосфера – це газова оболонка планети, яка обертається разом з нею як єдине ціле. Атмосфера Землі представляє собою суміш газів, яку прийнято називати повітрям. До складу цієї суміші входять: азот (78,08%), кисень (20,95%), аргон (0,93%), вуглекислий газ (0,03%) та певна кількість інших газів, зокрема гелію, неону, водню, метану, озону, криптону, ксенону, тощо. Вагомою складовою атмосферного повітря є водяний пар, кількість якого в різних географічних частинах атмосфери є різною і знаходиться в межах від 3% (для тропічних широт) до 0,00002% (для полярних областей). Крім цього, невід’ємною складовою атмосфери є певна кількість мікроскопічних домішок, починаючи від частинок земного та космічного пилу і закінчуючи вірусами та спорами рослин.

Точно оцінити лінійні розміри атмосфери практично не можливо. Адже не існує тієї чітко визначеної межі, яка відділяє те що можна назвати атмосферою, від того що прийнято називати космічним простором. Тому коли ви чуєте, що пілотований космічний корабель вийшов за межі земної атмосфери, то маєте знати що це не зовсім відповідає дійсності. Адже подібні кораблі літають на висотах від 250км до 500км над рівнем світового океану. Ознаки ж земної атмосфери можна знайти і на висоті 1000км, і навіть на висоті 10 000км. Зазвичай, в науковій практиці умовною межею земної атмосфери прийнято вважати висоту 400км над рівнем світового океану. На цій висоті молекули зустрічаються настільки рідко, що довжина їх вільного пробігу становить близько 60км. Втім, якщо говорити з практичної точки зору, то межею атмосфери Землі можна вважати висоту 100км над рівнем світового океану.

Основними фізико-хімічними характеристиками атмосферного повітря є його густина, тиск, температура, хімічний склад, тощо. Дослідження показують, що по мірі збільшення висоти, густина і тиск атмосферного повітря спочатку повільно, а потім все швидше і швидше зменшуються. Скажімо на висоті 2км густина повітря лише в 1,2 рази менша аніж на рівні світового океану. На висоті 20км, це зменшення становить вже майже 14 разів, а на висоті 100км – більш як 3 000 000 разів. (В математиці подібну залежність називають експоненціальною). Та не зважаючи на таку експоненціальну залежність, густина атмосферного повітря, а разом з нею і його тиск, змінюються прогнозовано плавно. І в цьому сенсі, атмосфера Землі є достатньо однорідною.

Зовсім по іншому веде себе температура. Вона то зменшується, то збільшується, то залишається незмінною, то знову зменшується і знову збільшується. І в цьому відношенні, атмосфера Землі нагадує слоєний пиріг, в якому повітряні шари де температура знижується, чергуються з шарами де вона зростає (мал.40). За характером зміни температури, атмосферу Землі умовно розділяють на п’ять ділянок: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера та екзосфера.

   

Мал.40   За характером зміни температури, атмосферу Землі умовно розділяють на п’ять ділянок.

Нижній шар атмосфери називають тропосферою (від грец. tropos – поворот, зміна напрямку). В тропосфері зосереджено 80% загальної маси атмосферного повітря, майже всі запаси водяного пару і основна частина механічних домішок. Характерною ознакою тропосфери є те, що в ній температура повітря поступово знижується (приблизно на 6ºС на кожний кілометр висоти). Це зниження відбувається до висот від 10км над полюсами до 18км над екватором. Простір обмежений поверхнею Землі та цими висотами і є тропосферою. Температура повітря на верхній межі тропосфери, в залежності від географічної широти знаходиться в межах від -55ºС (над полюсами) до -75ºС (над екватором).

За верхньою межею тропосфери, температурні параметри атмосфери Землі роблять свій перший “поворот”.  При цьому тропосфера плавно переходить в стратосферу (від лат. stratum – настил). В стратосфері, температура повітря спочатку залишається стабільно низькою (до висоти 20-30км), а потім поступово збільшується і досягає свого максимуму (приблизно 0ºС) на висоті близькій до 55км. Ця висота і є верхньою межею стратосфери.

В наступному атмосферному шарі – мезосфері (від грец. mezos -проміжний), температура знову знижується і на його верхній межі (80км над рівнем світового океану) досягає позначки -100ºС. В стратосфері та мезосфері зосереджено ще майже 20% загальної маси атмосферного повітря.

За мезосферою, температура робить свій черговий зиґзаґ і знову починає зростати. При цьому мезосферу змінює новий атмосферний шар, який прийнято називати термосферою (від грец. therme – тепло). На верхній межі термосфери (приблизно 600км над рівнем світового океану) температура “повітря” досягає 1000ºС. Об’єм термосфери майже в десять разів перевищує загальний об’єм всіх попередніх атмосферних шарів. Але той газ що утворює термосферу настільки розріджений, що його маса не перевищує 0,05% від загальної маси атмосферного повітря.

Характерною особливістю термосфери є те, що в ній фізико-хімічний склад атмосферного повітря суттєво змінюється. Головними причинами цих змін є жорстке сонячне випромінювання та велика кінетична енергія теплового руху частинок розрідженого газу. Під дією цих енергетичних факторів, молекули атмосферних газів по перше розпадаються на окремі атоми, а по друге, втрачаючи валентні електрони перетворюються на відповідні іони. А це означає, що термосфера представляє собою певну суміш молекул, атомів, позитивних іонів та вільних електронів. Наявність великої кількості вільних заряджених частинок, крім всього іншого кардинально змінює електромагнітні властивості термосфери. Констатуючи цей факт, термосферу часто називають іоносферою.

Над термосферою є ще певна кількість поодиноких атомів (головним чином атомів гелію, водню та їх іонів), які обертаються разом з Землею і утворюють зовнішню атмосферну оболонку яку називають екзосферою (від грец. ekzo – зовнішній). В екзосфері, температура того надзвичайно розрідженого газу, який майже не відрізняється від космічного вакууму, залишається практично незмінною і чисельно рівною 1000ºС.

Потрібно зауважити, що коли ми говоримо: “температура того розрідженого газу який утворює термо- та екзо- сфери Землі близька до 1000ºС”, то термін “температура” застосовуєм досить умовно. Адже мова йде лише про те, що у відповідних областях навколоземного простору, середня кінетична енергія наявних атомів відповідає температурі 1000ºС, тобто становить 2,6·10-20Дж. При цьому ви маєте розуміти, що на тих висотах де частинки зустрічаються настільки рідко, що довжина їх вільного пробігу вимірюється десятками і сотнями кілометрів, навіть надзвичайно енергійні атоми суттєво нагріти будь яке макротіло практично не здатні.

Скажімо, якби ви опинились в термосфері, де температура “повітря” близька до 1000ºС, то без спеціального захисту, швидко перетворились би на шматок льоду. (Звичайно за умови що ваше тіло не нагрівалось би прямими сонячними променями). Перетворились би тому, що організм людини досить інтенсивно випромінює невидиме інфрачервоне (теплове) світло, і не менш інтенсивно випаровує вологу. При цьому, інтенсивність тих теплових процесів які призводять до втрати теплової енергії (випромінювання та випаровування) в сотні разів перевищують ту інтенсивність з якою енергійні але поодинокі атоми поповнюють енергетичний запас організму. Тому, коли вам трапиться чути про космічний холод, то майте на увазі, що цей холод може мати надзвичайно високу температуру. І навпаки. Не поспішайте  температуру в 1000ºС завжди асоціювати з неймовірною спекою. Бо ця спека може виявитись надзвичайно холодною.

Напевно ви задаєтесь питанням: “а чому температура земної атмосфери змінюється таким дивним чином?” Сучасна наука знає відповідь на це запитання. Але для того щоб ця відповідь була зрозумілою, ви маєте дещо знати про світло та про деякі властивості атомів. Молекулярна фізика не є тим розділом фізики в якому вивчаються та пояснюються загальні властивості світла і тих об’єктів які називаються атомами, молекулами, іонами, тощо. Тому обмежимся лише тією мінімально необхідною, тезисною інформацією, яка допоможе вам зрозуміти суть тих обставин які визначальним чином впливають на формування атмосферного “слоєного пирога”.

В свій час ви дізнаєтесь, що світло – це потік електромагнітних хвиль, які випромінюються і поглинаються певними порціями, – фотонами. Що Сонце, окрім фотонів видимого світла випромінює величезну кількість фотонів світла невидимого, серед яких є фотони як з більшою енергією (ультрафіолетове випромінювання) так і з меншою енергією (інфрачервоне випромінювання). Ви дізнаєтесь, що кожна різновидність атомів і кожна різновидність молекул поглинає лише фотони певних параметрів і що при цьому енергія їх теплового руху збільшується. Власне здатність атомів (молекул) поглинати лише ті фотони які мають певні параметри і є основною причиною того, що атмосфера Землі має температурно шаристу структуру. Спрощено пояснюючи механізм формування цієї структури, можна сказати наступне.

Сонце випромінює фотони всього можливого спектру параметрів. Коли ця фотонна суміш зустрічається з молекулами (молекулами, атомами, іонами) атмосфери, то при взаємодії з ними, фотони певних параметрів поглинаються. При цьому кінетична енергія (температура) відповідних молекул збільшується. Власне за рахунок енергії тих фотонів які поглинаються молекулами екзосфери, температура цього зовнішнього атмосферного шару підтримується стабільно високою.

В екзосфері концентрація молекул надзвичайно низька. І тому більшість придатних для поглинання фотонів долітають до термосфери і віддають свою енергію молекулам цього атмосферного шару. Однак в термосфері концентрація молекул поступово збільшується, а кількість придатних для поглинання фотонів – зменшується. Тому, в цьому атмосферному шарі, температура розрідженого газу поступово знижується. Зауважимо, що в даному випадку ми аналізуємо характер зміни атмосферної температури в процесі наближення до поверхні Землі. А це означає, що там де рухаючись вгору ми стверджували: “температура підвищується”, тепер говоримо: “температура знижується” і навпаки.

На висоті 80 км зниження температури припиняється і вона починає зростати. Звідки ж взялася та енергія що підігріває мезосферу? А джерелом цієї енергії є ті процеси що відбуваються в стратосфері. Справа в тому, що на висотах від 20км до 60км, тобто в тій частині атмосфери Землі яку прийнято називати стратосферою, складаються такі умови при яких утворюється значна кількість молекул озону (О3). Ці молекули мають одну надзвичайно важливу та корисну властивість – вони інтенсивно поглинають фотони ультрафіолетового випромінювання. При цьому саме ті, які не поглинаються іншими атмосферними газами. Це тим більш важливо, що саме цих фотонів Сонце випромінює надзвичайно багато, і саме ці фотони є надзвичайно шкідливими для організму людини та інших живих структур. Поглинаючи  згубну для життя ультрафіолетову радіацію, молекули озону відповідно збільшують свою кінетичну енергію (температуру) та нагрівають те повітря що міститься в стратосфері, а заодно і підігрівають той розріджений газ що знаходиться в мезосфері.

Після стратосфери, в спектрі сонячного світла залишаються лише ті фотони, які практично не поглинаються молекулами повітря і які, ясна річ, не можуть розігріти масивну тропосферу. Цей нижній атмосферний шар повітря, нагріває сама поверхня Землі. Адже як би там не було, а більша частина фотонів видимого світла досягає поверхні Землі і нагріває цю поверхню. При цьому, нагріта земна поверхня, за рахунок конвекційних процесів, процесів випаровування – конденсації та теплового випромінювання, інтенсивно нагріває повітря тропосфери.

Потрібно зауважити, що ті процеси результатом яких є формування температурних атмосферних шарів, відбуваються лише на освітленій (денній) стороні планети. В нічний же час, всі температурні шари поступово охолоджуються, а межі між ними стають більш розмитими. Однак за ніч, температурні відмінності між атмосферними шарами не встигають зникнути і тому шариста структура атмосфери зберігається цілодобово. Лише в тих приполярних областях де панує полярна ніч, температурна структура атмосфери суттєво змінюється.

Потрібно мати на увазі і те, що вище змальована  картина розподілу атмосферної температури, відображає лише статистично усереднені показники цього розподілу. Адже атмосфера Землі, це надзвичайно складний організм в якому відбувається безліч динамічних процесів, кожен з яких так чи інакше впливає на атмосферні параметри, в тому числі і на температурні. Наприклад в період сонячної активності (магнітних бурь), температурні параметри верхніх шарів атмосфери зазнають суттєвих змін.

Останнім часом, все більш і більш активним фактором впливу на атмосферні процеси стає техногенна діяльність людини. Результатом цієї діяльності є суттєве збільшення в атмосферному повітрі кількості вуглекислого газу (СО2). Вуглекислий газ має ту особливість, що практично безперешкодно пропускає те світло яке випромінюється Сонцем і не пропускає те  інфрачервоне світло, джерелом якого є нагріта поверхня Землі. Іншими словами, вуглекислий газ створює так званий парниковий ефект. А це означає, що той надлишковий вуглекислий газ джерелом якого є техногенна діяльність людини, суттєво змінює існуючий на землі енергетичний баланс. При цьому змінює в надзвичайно небезпечному напрямку. Достатньо сказати, що головною причиною еволюційного самозародження та саморозвитку життя на Землі, є енергетична доцільність цього процесу. А одна з складових цієї доцільності полягала в тому, щоб зменшити кількість вуглекислого газу в атмосферному повітрі. Реалізуючи цю доцільність, життя, в процесі свого кругообігу, величезну кількість  вуглецю вилучило з атмосферного повітря і у вигляді вугілля, нафти, торфу, сланців та горючих газів, надійно сховало в підземних кладових.

І от коли сьогодні, людина надмірно та бездумно черпає те, що за всіма законами Природи має знаходитись під землею, то вона діє всупереч законам Природи. Тобто всупереч тим законам, згідно з якими створено Всесвіт, Сонячну систему, Землю та нас з вами. Втім, будемо сподіватись, що у людства вистачить мудрості і мужності змінити глобально небезпечний хід подій.

Завершуючи розмову про атмосферу Землі, доречно сказати і про те як “зважують” атмосферу та її фрагменти. А “зважити” атмосферу зовсім не важко. Дійсно. Загально відомо, що атмосферне повітря створює тиск величина якого р0=101325Па. Але ж тиск характеризує ту силу, що діє на одиницю площі поверхні (р=F/S). В даному випадку, цією площею є площа поверхні Землі (S=4πR2), а тією силою що тисне на цю поверхню є вага атмосферного повітря (Р=Fт=mag). Таким чином: p0=mag/4πR , де ma – загальна маса атмосфери; g=9,81м/с2 – прискорення вільного падіння на Землі; R=6,37·106 – радіус Землі.  Зважаючи на вище сказане, можна записати: ma=4πRp0/g=5,15·1018кг. 5,15·1018кг, це приблизно в 226 разів менше за загальну масу тієї води що міститься на Землі. І набагато більше того, що можна собі уявити.

 

Контрольні запитання.

1.Де і чому більше атмосферної вологи: в тропічних чи полярних широтах?

2. Чи можна на основі того, як з висотою змінюється густина повітря стверджувати, що атмосфера має шаристу структуру?

3. На якій підставі атмосферу Землі розділяють на певні шари?

4. Чому термосферу часто називають іоносферою?5

5. Чому в стратосфері по мірі збільшення висоти температура повітря збільшується?

6. В чому суть парникового ефекту?

7. Чому надмірний видобуток та спалювання природних горючих копалин, може призвести до глобально негативних наслідків?

Подобається