Як зміниться відносна вологість повітря зі зниженням температури?

Прослідкуємо це на такому прикладі: нехай абсолютна вологість повітря за 28 дорівнює 13,6 ; оскільки густина насиченої водяної пари за цієї температури дорівнює 27,2 (див. табл.), то відносна вологість становить = 100%=50%. Припустимо, що температура повітря знизилась до 16 , а абсолютна вологість не змінилась. За цієї температури відносна вологість повітря дорівнює = 100%=100%, тобто повітря буде насиченим водяною парою.

Таким чином, знижуючи температуру, можна довести відносну вологість повітря до 100%, не змінюючи кількість пари, яка є в ньому. Температуру, за якої відносна вологість становить 100%, називають точкою роси. В розглядуваному прикладі точка роси дорівнює 16 . Якщо температура повітря стане хоча б трохи нижчою за точку роси, пара почне конденсуватися, з’являться туман і краплі роси на різних предметах.

Волосяний гігрометр (мал.1). У волосяному гігрометрі використовується властивість знежиреної людської волосини збільшувати довжину зі збільшенням вологості повітря.

Психрометр (мал.2). Психрометр складається із двох термометрів. Резервуар одного з них сухий, і термометр показує температуру повітря. Резервуар другого оточений смужкою тканини, кінець якої знаходиться у воді.

Температура вологого термометра нижча, ніж сухого, внаслідок його охолодження під час випаровування. Знаючи різницю температур - за допомогою спеціальних психрометричних таблиць визначають відносну вологість.

Конденсаційний гігрометр (мал.3). Конденсаційний гігрометр дає змогу виміряти точку роси, а за нею - відносну вологість. Цей прилад являє собою металеву коробку, передня стінка якої добре відполірована. В коробку наливають рідину, що легко випаровується – ефір, і встановляють термометр. Пропускаючи через коробку повітря за допомогою гумової груші, спричиняють сильне випаровування ефіру і швидке охолодження коробки. За термометром визначають температуру, при якій виникають крапельки роси на відполірованій поверхні стінки – це точка роси. Знаючи температуру повітря і точку роси, за допомогою таблиці залежності тиску насиченої пари від температури, визначають парціальний тиск водяної пари і відносну вологість повітря.

Порада для вчителя. Якщо у фізичному кабінеті нема конденсаційних гігрометрів (заводських), то можна використати для роботи кондуктори кулясті від демонстраційних електрометрів або будь-які інші посудини, що мають блискучу поверхню. У посудину наливають до половини воду. Додаючи шматочки льоду або сніг і помішуючи воду, стежать за зниженням температури. У момент появи на стінках посудини роси записують показ термометра. Обережно додаючи в посудину теплу воду, записують температуру, при якій зникає роса. Точкою роси прийнято вважати середнє значення вказаних тем ператур.

 

 

Друге березня

Класна робота

Властивості рідин. Поверхневий натяг рідини. Змочування. Капілярні явища. Будова і властивості твердих тіл. Кристалічні та аморфні тіла. Рідкі кристали та їх властивості. Полімери: їх властивості та застосування

Рідина — один з основних агрегатних станів речовини поряд із газом та твердим тілом. Від газу рідина відрізняється тим, що зберігає свій об'єм, а від твердого тіла тим, що не зберігає форму.

Рідина – конденсований агрегатний стан речовини, проміжний між твердим та газоподібним. Фізичне тіло, якому притаманна:

а) плинність на відміну від твердого тіла;

б) достатньо мала зміна об’єму (при зміні тиску й температури), на відміну від газу.

Збереження об’єму, густина, показник заломлення, теплота плавлення, в’язкість – властивості, які зближують рідини з твердими тілами, а незбереження форми – з газами. Для рідин характерний ближній порядок розташування молекул (відносна впорядкованість у розташуванні молекул найближчого оточення довільної молекули, подібна до порядку в кристалічних тілах, але на відстані кількох атомних діаметрів ця впорядкованість порушується). Рідини, крім розсолів та зріджених металів, погані провідники електричного струму.

Рідина здатна утворювати вільну поверхню. Така поверхня є поверхнею розділу фаз даної речовини: по один бік знаходиться рідка фаза, по інший — газоподібна (пара), і, можливо, інші гази, наприклад, повітря.

 

Поверхневий натяг — фізичне явище, суть якого в прагненні рідини скоротити площу своєї поверхні при незмінному об'ємі. Своєю появою сили поверхневого натягу завдячують поверхневій енергії. Поверхневий натяг може бути пояснений притяганням між молекулами рідини. Він виникає як у випадку поверхні розділу між рідиною й газом, так і у випадку поверхні розділу двох різних рідин.

Поверхневий натяг дорівнює відношенню сили поверхневого натягу F, яка діє на межу поверхневого шару довжиною , до цієї довжини.

;

- величина стала і не залежить від довжини . В СІ ця величина виражається в .

Для води поверхнево-активними речовинами є етиловий спирт, ефір, мило, різні пральні порошки. У процесі прання білизни значення s зменшується як через нагрівання рідини, так і внаслідок введення мийних засобів. Якщо рідина межує з її парою, то взаємодії між молекулами слабкіші і їх можна не враховувати. Коли поверхневий шар рідини межує з твердим тілом, то взаємодію молекул рідини і твердого тіла слід враховувати. У повсякденному житті можна спостерігати, що крапля води розпливається по чистій поверхні скла (рис. 3.3.8, а), але не розпливається по забрудненій жиром поверхні і має при цьому форму майже правильної кулі (рис. 3.3.8, б). У першому випадку говорять, що вода змочує поверхню, у другому - не змочує.

Обчислимо додатковий тиск для сферичної поверхні рідини. Для цього мислено перетнемо сферичну каплю на дві півкулі. Поверхнева плівка цих двох півкуль обмежена колом 2πR, де R- радіус краплі.

Внаслідок поверхневого натягу обидві півкулі притягуються одна до одної з силою . Вона притискає їх одну до одної на поверхні , і отже, обумовлює додатковий тиск:

- формула Лапласа, за нею визначається додатковий тиск під опуклою сферичною плівкою рідини.

 

 

Якщо взаємодія молекул рідини менша, ніж їх взаємодія з молекулами контактного твердого тіла, то маємо випадок змочування і навпаки, коли ця взаємодія більша - незмочування.

Інтенсивність змочування характеризується кутом змочування Q, який утворюється між дотичною до поверхні рідини і поверхнею твердого тіла. Відлік кута виконують у бік рідини (рис.3.3.9, а, б). Якщо - поверхня тіла змочувана, а якщо - не змочувана.

Якщо межа розділу вертикальна, поверхня рідини (меніск) у разі змочування має увігнуту форму (рис. 3.3.9, а). Поверхня рідини за вертикального розміщення тіла внаслідок незмочування має опуклу форму (рис. 3.3.9, б).

Явища змочування і незмочування відіграють важливе значення в побуті і техніці, якби вода не змочувала тіло людини, то марним було б купання. Добре змочування потрібне під час фарбування і прання, паяння, збагачення руд цінних порід та інших технічних процесів.

Явище змочування і незмочування виявляється у піднятті і спусканні рідини в тонких трубках (капілярах). Розглянемо капілярні явища.

Опустимо в рідину густиною r капіляр радіусом r 1 мм (рис. 3.3.10).

Якщо діаметри трубок невеликі, то майже вся поверхня води в них буде викривленою. Викривлену поверхню називають меніском, вузенькі трубки – капілярними, а підняття рідини в них – явищем капілярності, або просто капілярністю.

Висоту підняття рідини в капілярних трубках можна легко обчислити. Якщо рідина повністю змочує стінки трубки, її меніск можна прийняти за півсферу, радіус меніска дорівнюватиме радіусові капіляра, а надмір тиску .

Під дією цього тиску рідина піднімається на таку висоту , щоб її гідростатичний тиск зрівноважував надмір тиску :

; - висота підняття рідини в капілярній трубці прямо пропорційна поверхневому натягу і обернено пропорційна радіусу трубки і густині рідини.

Цю формулу застосовують і до капілярної трубки із незмочуючою рідиною, тільки в цьому випадку обчислюється висота не підняття, а опускання в ній рідини.

Капілярні явища мають велике значення в природі і техніці. Завдяки цим явищам відбувається проникнення вологи з ґрунту в стебла і листя рослин. Саме в капілярах відбуваються основні процеси, пов'язані з диханням і живленням організмів. У тілі дорослої людини приблизно 160·109 капілярів, загальна довжина яких сягає 60 - 80 тис. км.

У будівництві враховують можливість підняття вологи по капілярних порах будівельних матеріалів. Для захисту фундаменту і стін від дії ґрунтових вод та вологи застосовують гідроізоляційні матеріали: толь, смоли тощо.

Завдяки капілярному підняттю вдається фарбувати тканини.

Часто капілярні явища використовують і в побуті. Застосування рушників, серветок, гігроскопічної вати, марлі, промокального паперу можливе завдяки наявності в них капілярів.

 

 

Дев’яте березня

Класна робота

Внутрішня енергія тіл.

Два способи зміни внутрішньої енергії тіла.

За визначенням внутрішня енергія обчислюється за формулою:
U = ∑E_ki + ∑E_pi
де Е_кі, Е_рі – кінетична і потенціальна енергія окремої молекули.
Для ідеального газу Е_рі = 0; тому
U = ∑E_ki = NE = (mN_a/M) * (3kT/2) = 3mRT/2M
Е – середня кінетична енергія молекули.
U = 3mRT/2M
Для даної маси газу виконується рівняння:
∆U = 3mR∆T/2M
Для двохатомного ідеального газу:
∆U = 5mR∆T/2M
Для трьохатомного ідеального газу:
∆U = 6mR∆T/2M
Уявимо собі, що газ знаходиться у вертикальному циліндрі, який закрито нерухомим поршнем площею S. Нехай під дією прикладеної зовнішньої сили F поршень опустився на відстань ∆x, та стиснув при цьому газ. Газ буде стискатися до тих пір, доки сила F не врівноважиться силою, що діє на поршень зі сторони газу і дорівнює pS, де р – тиск газу (якщо переміщення маленьке, то тиск газу можна вважати сталим). Робота газу (А) при цьому визначається так
F∆x = pS∆x A = p∆V
Якщо газ стискався, то ∆V <0 - робота газу від’ємна;

 

якщо газ розширювався, то ∆V > 0 - додатна.
Таким чином, якщо над газом скоюють додатну роботу, то зовнішні тіла передають йому частину своєї енергії. При розширенні газу, навпаки, робота зовнішніх сил від'ємна.
Задача 1. Вважаючи, що внутрішня енергія ідеального газу складається з кінетичної енергії всіх його молекул, обчисліть, яку внутрішню енергію має 500г гелію при температурі Т= 300К.

Дано: Розв'язання:

m = 500г 0,5кг Гелій - одноатомний газ. Вважатимемо

М = 4*10^-3 кг/моль його ідеальним. Тоді Е = 3kT/2 - середня

Т = 300К кінетична енергія одного атома;

R = 8,31 Дж/моль*К k – стала Больцмана.

N = m Nа/М – кількість атомів, де Nа -

U -? число Авогадро.

Отже, U = E*N = (3kT/2)*(m Nа/М) = 3mRT/2M$

[ U ] = (кг*Дж *К*моль)/ (кг*моль*К) = Дж

U = (3*0,5*8?31*300)/(2*4*10^-3) = 4,67*10⁵ (Дж)

Відповідь: 4,67*10⁵ Дж

Задача для самостійної роботи в зошитах. (Розв'язання для самоперевірки на дошці 3 бали). В балоні знаходиться аргон масою 2 кг при температурі 20⁰С. Чому дорівнює внутрішня енергія газу? (відповідь: 183 кДж)

Задача 2. Визначити роботу розширення 20л газу при ізобарному нагріві від 270С до 120⁰С. Тиск газу 80 кПа.

Дано: Розв'язання:

V₁ = 20л 20*10^-3 м³ Для визначення роботи необхідно визначити

Т₁ = 27⁰С 300К зміну об'єму газу, так як невідомо V₂

Т₂ = 120⁰С 397К A = Р(V₂ – V₁)

Р = 80 кПа 80*10³ Па При постійному тиску маємо

співвідношення V₁/V₂ = T₁/T₂

А -? V₂ = V₁*T₂ /T₁

А = Р ((V₁*T₂ /T₁) - V₁ )

[ А ] = Па м³ = (Н/м²) *м³ = Н*м = Дж

А = 80*10³ ((20*10^-3*397 / 300) - 20*10^-3) = 500 Дж

Відповідь: 500 Дж

Задача для самостійної роботи в зошитах. (Розв'язання для самоперевірки на дошці 3 бали). В циліндрі під поршнем знаходиться кисень. Визначте масу кисня, якщо відомо, що робота, яку виконується під час нагріву газу від 273 К до 473 К, дорівнює 16 кДж. Тертя не враховувати. (відповідь 0,31 кг).

 

 

Шістнадцяте березня

Класна робота

Робота термодинамічного процесу.

 

 

Тридцять перше березня

Класна робота

Перший закон термодинаміки.

 

 

Перше квітня

Класна робота

Теплові машини. Холодильна машина.

Розв’язування задач.

 

Друге квітня

Класна робота

Теплові машини. Холодильна машина.

1. Теплові машини. Теплові Двигуни. Цикл Карно.

Теплова машина – машини, призначені для перетворення внутрішньої енергії на механічну (тепловий двигун) або механічну роботу в тепло (холодильний).

Давайте розглянемо на прикладі моделі двигуна внутрішнього згоряння.

Демонстрація моделі бензинового двигуна.

Такий двигун називають чотирьохтактним, так як його робота складається з чотирьох повторюваних етапів (тактів):

І-й – всмоктування палива

ІІ-й – стискання палива

ІІІ-й – згорання палива

ІV-й – випускання продуктів згоряння

Корисну роботу такий двигун виконує лише під час третього такту, інші три такти роботу потрібно виконувати зовнішнім силам. Ефективність такого двигуна дуже мала.

Щоб цього уникнути, використовують складніші системи – багатоциліндрові двигуни.

Розгляньмо відео і порівняймо продемонстровану модель та принцип роботи бензинового та дизельного двигунів.

Демонстрація відео

Чим відрізняються показані двигуни?

Що у них спільного?

Будь-який тепловий двигун складається з трьох основних частин (слайд з рис. 1): нагрівача (Т₁) — джерело внутрішньої енергії; робочого тіла (газ чи пара), що виконує механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії, отриманої від нагрівача; холодильника (Т_г<Т₁), що за­безпечує природний процес передачі тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого (холодильником може бути навколишнє середовище).

Ефективність теплового двигуна тим вища, чим більшу ко­рисну роботу А він виконує за тієї ж самої кількості теплоти отриманої від нагрівача.

Довідкові матеріали

ККД теплових двигунів

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відно­шення корисної роботи, виконаної двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Оскільки А_к=Q₁-Q₂, то

де Q₁ — кількість теплоти, отримана від нагрівача; Q₂ — кількість теплоти, передана холодильнику.

Виходячи з цього, коефіцієнт корисної дії завжди менший за 100 %, отже, перетворити на механічну роботу можна лише час­тину кількості теплоти, отриману від нагрівача.

Від чого залежить ККД теплового двигуна, який може мати максимальний ККД, дослідив французький вчений С. Карно. Він довів, що максимальний ККД має так звана «ідеальна машина». Під час роботи такої машини виконується цикл Карно (слайд рис. 2), у якому робоче тіло отримує від нагрівача деяку кількість тепло­ти за температури, що дорівнює температурі нагрівача; адіабатно розширюється, охолоджуючись до температури холодильника; віддає холодильникові деяку кількість теплоти за температури, що дорівнює температурі холодильника; адіабатно стискається, нагріваючись до температури нагрівача.

Карно довів, що максимально можливий ККД дорівнює:

ККД сучасних теплових двигунів становить 40-50 %.

 

Холодильні машини

Холодильна машина — це машина, яка підтримує в холодиль­ній камері температуру нижчу, ніж у навколишньому середовищі.

Ознайомимося з такими видами холодильних машин, як хо­лодильник, кондиціонер, тепловий насос.

Холодильник (рис. 3) передає тепло від холоднішого тіла (на­приклад, холодних продуктів) до теплішого тіла (повітря у при­міщенні). Щоб здійснити потік тепла в зворотному напрямку (від холодного тіла до теплого), доводиться стискати газ за високої температури, а за низької температури він розширюється. Стис­кає газ в холодильній машині компресор, який споживає енергію з електромережі.

Ефективність роботи холодильної машини характеризують холодильним коефіцієнтом k:

де Q₁ — кількість теплоти, яку передає робоче тіло при стисканні в оточуюче середовище; Q₂ — кількість теплоти, яку воно забирає у холодильної камери.

.