Тема занятия: Газовые законы. Законы гидростатики и гидродинамики.
Газ – это одно из агрегатных состояний вещества, в котором его частицы движутся свободно, равномерно заполняя доступное для них пространство. Они оказывают давление на ограничивающую это пространство оболочку. Плотность газа при нормальном давлении на несколько порядков меньше плотности жидкости.
Законы газовой динамики
Закон Бойля-Мариотта (Изотермический процесс)
Закон Шарля (Изохорный процесс) и Гей-Люссака (Изобарный процесс)
Закон Дальтона
Закон Генри
Законы гидростатики и гидродинамики
Для воды, как и для газов, вследствие их текучести, выполняется закон Паскаля, определяющий способность этих сред передавать давление. Для тела, погруженного в жидкость, выполняется закон Архимеда, обусловленный действием на поверхность тела давления, создаваемого жидкостью вследствие ее веса (т.е. действием силы тяжести). Для движущихся жидкостей и газов справедлив закон Эйлера-Бернулли.
Закон Паскаля
Давление на поверхность жидкости (или газа), произведенное внешними силами, передается жидкостью (или газом) одинаково во всех направлениях.
Действие этого закона лежит в основе работы всевозможных гидравлических аппаратов и приборов, в том числе и акваланга (баллоны – редуктор – дыхательный автомат)
Закон Архимеда
На всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) сила, направленная вверх, приложенная к центру тяжести вытесненного объема и равная по величине весу вытесненной телом жидкости (или газа).
Q = yV
у – удельный вес жидкости;
V - объем вытесненной телом воды (погруженный объем).
Закон Архимеда определяет такие качества погруженных в жидкость тел, как плавучесть и остойчивость.
Закон Эйлера-Бернулли
Давление текущей жидкости (или газа) больше в тех сечениях потока, в которых скорость движения меньше, и наоборот, в тех сечениях, в которых скорость движения больше, давление меньше.
Согласно закону Бойля - Мариотта , при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален давлению.
Это означает, что с ростом давления на газ его объем уменьшается, и наоборот. Для неизменного количества газа закон Бойля - Мариотта можяо также интерпретировать следующим образом: при неизменной температуре произведение давления на объем является величиной постоянной. В виде формулы это выражается так:
Р х V = К, где Р - абсолютное даатение, V - объем; К - константа.
Если Р и V меняются, то Р 1 х V 1 = К и Р 2 х V 2 = К.
Совмещение двух уравнений даст Р 1 х V 1 = Р 2 х V 2 .
Если фиксированное количество газа закачать в жесткую емкость, такую, как баллон акваланга, то, поскольку объем баллона остается неизменным, им и будет определяться давление газа внутри него. Если тем же количеством газа заполнить эластичную емкость, например воздушный шар. он будет расширяться, пока давление газа внутри него не сравняется с давлением окружающей среды. В данном случае давление определяет объем емкости.
Эффект от увеличения давления с глубиной погружения на примере пластиковой бутылки. По мере увеличения давления на газ его объем уменьшается, и наоборот
На уровне моря давление равно 1 бар. На глубине 10 метров давление удваивается до 2 бар и далее с каждыми 10 метрами погружения увеличивается на 1 бар. Представьте перевернутую стеклянную бутылку без пробки, внутри которой находится воздух. При погружении бутылки на глубину 10 метров, где давление составляет 2 бар. воздух внутри нее сожмется до половины своего первоначального объема. На глубине 20 метров давление будет равно 3 бар. а воздух сожмется до трети первоначального объема. На 30 метрах глубины, где давление возрастает до 4 бар. объем воздуха составит лишь четверть от первоначатыюго.
Если давление и объем газа - величины обратно пропорциональные, то давление и плотность прямо пропорциональны. С увеличением давления газа и уменьшением его объема расстояние между молекулами газа сокращается, и газ становится плотнее. При давлении, вдвое превышающем атмосферное, заданный объем газа вдвое плотнее воздуха у поверхности воды и т. д. Поэтому на глубине дайверы быстрее расходуют имеющийся у них запас воздуха. Полный вдох воздуха, давление которого вдвое превышает атмосферное, содержит вдвое больше молекул воздуха, чем воздух на поверхности. Поэтому при давлении в 3 атмосферы баллона хватит лишь на треть того времени, в течение которого человек мог бы пользоваться этим баллоном на поверхности.
Дайвер должен дышать воздухом, давление которого равно давлению окружающей водной среды. Только тогда независимо от глубины погружения будет обеспечиваться расширение воздуха до нормального объема легких. Регулятор воздуха представляет собой систему клапанов, снижающих давление сжатого в баллоне воздуха до давления воды на уровне легких дайвера. Дайверы не хотят понапрасну расходовать воздух в своем баллоне, поэтому регулятор сконструирован так. чтобы подавать воздух только тогда, когда это нужно. Отсюда другое название - «demand valve». то есть клапан, срабатывающий по требованию.
При каждом погружении дайверы несут на себе различные элементы снаряжения, содержащие газ, включая устройства для контроля плавучести, баллоны, маски, «мокрые» и «сухие» неопреновые гидрокостюмы из материала, содержащего его крошечные пузырьки воздуха. В нашем теле также есть наполненные газом полости: пазухи, уши. желудок и легкие. За исключением жестких баллонов, все газонаполненные полости сжимаются при погружении и расширяются при всплытии. При подъеме к поверхности дайверы должны освобождаться от расширяющегося в легких воздуха, выравнивать давление в ушах и пазухах во избежание боли и повреждения тканей, именуемого баротравмой. (Это не касается декомпрессионных остановок - о них разговор особый.)
Считается, что расширение газов в организме дайвера идет особенно интенсивно на последних 10 метрах подъема, вот почему на этом этапе подниматься следует медленно, постепенно выдыхая воздух.
Среди химических соединений, придающих морской воде ее соленый вкус, преобладает поваренная соль (хлорид натрия). В среднем в морской воде содержится примерно 3% соли, хотя этот показатель может варьироваться от 1% в полярных морях до 5% в замкнутых, таких, как Средиземное и Красное. Соль, получаемая при выпаривании морской воды, на 77,76% состоит из хлорида натрия, на 10,88% - из хлорида магния, на 4,74% - из сульфата магния, на 3,60% - из сульфата кальция, на 2,46% - из хлорида калия, на 0,22% - из бромида магния и на 0,34% из карбоната кальция.
Закон Бойля-Мариотта (Изотерма) , один из основных газовых законов, который описывает изотермические процессы в идеальных газах. Его установили учёные Р. Бойль в 1662 г. и Э. Мариотт в 1676 г. независимо друг от друга при экспериментальном изучении зависимости давления газа от его объема при постоянной температуре.
Согласно закону Бойля-Мариотта при постоянной температуре (Т=const), Объем (V) данной массы (m) идеального газа, обратно пропорционален его давлению (р):
pV = const = С при T=const и m=const
Постоянная С пропорциональна массе газа (числу молей) и его абсолютной температуре. Другими словами: произведение объема данной массы идеального газа на его давление постоянно при постоянной температуре. Закон Бойля -- Мариотта выполняется строго для идеального газа. Для реальных газов закон Бойля -- Мариотта выполняется приближенно. Практически все газы ведут себя как идеальные при не слишком высоких давлениях и не слишком низких температурах.
Закон Бойля -- Мариотта следует из кинетической теории газов, когда принимается допущение, что размеры молекул пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием между ними и отсутствует межмолекулярное взаимодействие. При больших давлениях необходимо вводить поправки на силы притяжения между молекулами и на объем самих молекул. Как и уравнение Клайперона, закон Бойля -- Мариотта описывает предельный случай поведения реального газа, более точно описываемый уравнением Ван-дер-Ваальса. Применение закона приближенно можно наблюдать в процессе сжатия воздуха компрессором или в результате расширения газа под поршнем насоса при откачке его из сосуда.
Термодинамический процесс, который происходит при постоянной температуре называется изотермическим. Изображение его на графике (рис.1) называется изотермой.
Рис.1
Французский ученый Ж. Гей-Люссак в 1802 году нашел экспериментально зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении. Данные лежат в основе газового закона Гей-Люссака.
Формулировка закона Гей-Люссака следующая: для данной массы газа отношение объема газа к его температуре постоянно, если давление газа не меняется. Эту зависимость математически записывают так:
V/Т=const, если P=const и m=const
Данный закон приближенно можно наблюдать, когда происходит расширение газа при его нагревании в цилиндре с подвижным поршнем. Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня. Другим проявлением закона Гей-Люссака в действии является аэростат. Закон Гей-Люссака не соблюдается в области низких температур, близких к температуре сжижения (конденсации) газов.
Закон справедлив для идеального газа. Он неплохо выполняется для разреженных газов, которые по своим свойствам близки к идеальному. Температура газа должна быть достаточно велика.
Графически эта зависимость в координатах V-T изображается в виде прямой, выходящей из точки Т=0. Эту прямую называют изобарой. Разным давлениям соответствуют разные изобары. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным (рис.2 график изобарного процесса).
Рис.2
Французский ученый Ж. Шарль в 1787 году нашел экспериментально зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме. Данные лежат в основе газового закона Шарля.
Формулировка закона Шарля следующая: для данной массы газа отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем газа не меняется. Эту зависимость математически записывают так:
P/Т=const, если V=const и m=const
Данный закон приближенно можно наблюдать, когда происходит увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема. Закон Шарля не соблюдается в области низких температур, близких к температуре сжижения (конденсации) газов.
Закон справедлив для идеального газа. Он неплохо выполняется для разреженных газов, которые по своим свойствам близки к идеальному. Температура газа должна быть достаточно высокой. Процесс должен проходить очень медленно
Графически эта зависимость в координатах P-T изображается в виде прямой, выходящей из точки Т=0. Эту прямую называют изохорой. Разным объемам соответствуют разные изохоры. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным. Рис.3 (график изохорного процесса).
Закон формулируется следующим образом: произведение объема данной массы гaзa на его давление при неизменной температуре есть величина постоянная. Математически этот закон можно написать так:
P 1 V 1 = P 2 V 2 или PV = const (1)
Из закона Бойля-Мариотта вытекают следствия: плотность и концентрация газа при постоянной температуре прямо пропорциональны давлению, под которым газ находится:
(2);
(3) ,
где d 1 – плотность, C 1 – концентрация газа под давлением P 1 ; d 2 и С 2 – соответствующие величины под давлением Р 2 .
Пример 1. В газовом баллоне емкостью 0,02м 3 находится газ под давлением 20 атм. Какой объем займет газ, если, не изменяя его температуру, открыть вентиль баллона? Окончательное давление 1 атм.
Пример 2. Сжатый воздух подается в газгольдер (резервуар для сбора газа) объемом 10 м 3 . За какое время его накачают до давления 15 атм, если компрессор засасывает 5,5 м 3 атмосферного воздуха в минуту при давлении 1 атм. Температуру считать постоянной.
Пример 3. 112 г азота под давлением 4 атм занимают объем 20 литров. Какое нужно приложить давление, чтобы концентрация азота стала 0,5 моль/л при условии, что температура остается неизменной?
Гей-Люссак установил, что при постоянном давлении с повышением температуры па 1°С объем данной массы газа увеличивается на 1/273 его объема при 0°С.
Математически этот закон пишется:
(4)
,
где V- объем газа при температуре t°С, a V 0 – объем газа при 0°С.
Шарль показал, что давление данной массы газа при нагревании на 1С при постоянном объеме увеличивается на 1/273 того давления, которым обладает газ при 0°С. Математически этот закон записывается следующим образом:
(5)
,
где Р 0 и Р - давления газа соответственно при температурах 0С и tС.
При замене шкалы Цельсия шкалой Кельвина, связь между которыми устанавливается соотношением Т = 273 + t , формулы законов Гей-Люссака и Шарля значительно упрощаются.
Закон Гей-Люссака: при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:
(6)
.
Закон Шарля: при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его aбcoлютной температуре:
(7)
.
Из законов Гей-Люссака и Шарля следует, что при постоянном давлении плотность и концентрация газа обратно пропорциональны его абсолютной температуре:
(8)
,
(9) .
где d 1 и С 1 - плотность и концентрация газа при абсолютной температуре Т 1 , d 2 и C 2 -соответствующие величины при абсолютной температуре Т 2 .
Пример 4. Пpи 20ºC объем газа равен 20,4 мл. Какой объем займет газ при его охлаждении до 0°С, если давление остается постоянным?
Прим ep 5. При 9°С давление внутри баллона с кислородом было 94 атм. Вычислить, насколько увеличилось давление в баллоне, если температура поднялась до 27ºС?
Пример 6. Плотность газообразного хлора при 0ºС и давлении 760 мм рт. ст. равна 3,220 г/л. Найти плотность хлора, принимая его за идеальный газ, при 27ºС при тoм же давлении.
Пример 7. При нормальных условиях концентрация окиси углерода равна 0,03 кмоль/м 3 . Вычислить, при какой температуре масса 10 м 3 окиси углерода будет равна 7 кг?
Объединенный закон Бойля- Мариотта - Шарля – Гей-Люссака.
Формулировка этого закона: для данной массы газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру, постоянно при всех изменениях, происходящих с газом. Математическая запись:
(10)
где V 1 - объем и Р 1 - давление данной массы газа при абсолютной температуре Т 1 , V 2 - объем и P 2 - давление той же массы газа при абсолютной температуре Т 2 .
Одним из важнейших применений объединенного закона газового состояния является „приведение объема газа к нормальным условиям".
Пример 8. Газ при 15°С и давлении 760 мм рт. ст. занимает объем 2 л. Привести объем газа к нормальным условиям.
Для облегчения подобных расчетов можно воспользоваться коэффициентами пересчета, приведенными и таблицах.
Пример 9. В газометре над водой находится 7,4 л кислорода при температуре 23°С и давлении 781 мм рт. ст. Давление водяного пара при этой температуре равно 21 мм рт. ст. Какой объем займет находящийся в газометре кислород при нормальных условиях?
Учеными, изучающими термодинамиче-ские системы, было установлено, что из-менение одного макропараметра системы ве-дет к изменению остальных. Например, по-вышение давления внутри резинового шари-ка при его нагревании вызывает увеличение его объема; повышение температуры твердо-го тела ведет к увеличению его размеров и т. п.
Эти зависимости могут быть довольно сложными. Поэтому сначала рассмотрим су-ществующие связи между макропараметра-ми на примере простейших термодинами-ческих систем, например для разреженных газов. Экспериментально установленные для них функциональные зависимости между фи-зическими величинами называют газовыми законами.
Роберт Бойль (1627—1691). Известный английский физик и химик, который исследовал свойства воздуха (масса и упругость воздуха, степень его разре-женности). На опыте показал, что тем-пература кипения воды зависит от дав-ления окружающей среды. Изучал так-же упругость твердых тел, гидростатику, световые и электрические явления, впе-рвые высказал мнение о сложном спек-тре белого света. Ввел понятие «хими-ческий элемент».
Первый газовый закон был открыт анг-лийским ученым Р. Бойлем в 1662 г. при исследовании упругости воздуха. Он взял длинную согнутую стеклянную трубку, за-паянную с одного конца, и начал наливать в нее ртуть до тех пор, пока в коротком колене не образовался небольшой закрытый объем воздуха (рис. 1.5). Затем доливал ртуть в длинное колено, изучая зависимость между объемом воздуха в запаянном конце трубки и давлением, созданным ртутью в левом колене. Предположение ученого о том, что между ними существует опреде-ленная зависимость, подтвердилось. Срав-нивая полученные результаты, Бойль сформу-лировал следующее положение:
между дав-лением и объемом данной массы газа при постоянной температуре существует обратная зависимость: p ~ 1 / V.
 |
| Эдм Мариотт |
Эдм Мариотт (1620—1684) . Француз-ский физик, изучавший свойства жид-костей и газов, столкновения упругих тел, колебания маятника, естественные оптические явления. Установил зави-симость между давлением и объемом газов при постоянной температуре и объяснил на ее основании разные при-менения, в частности, как найти высоту местности по показаниям барометра. До-казал увеличение объема воды при ее замерзании.
Немного позже, в 1676 году француз-ский ученый Э. Мариотт независимо от Р. Бойля обобщенно сформулировал газо-вый закон, который теперь называют законом Бойля-Мариотта. По его утверждению, если при определенной температуре данная масса газа занимает объем V 1 при давлении p 1 , а в другом состоянии при этой же температуре его давление и объем рав-няются p 2 и V 2 , то справедливо соотно-шение:
p 1 / p 2 = V 2 / V 1 или p 1 V 1 = p 2 V 2 .
Закон Бойля-Мариотта : если при постоянной темпе-ратуре происходит термодинамический про-цесс, вследствие которого газ переходит из одного состояния (p 1 и V 1) в другое (p2и V 2), то произведение давления на объем данной массы газа при постоянной температуре яв-ляется постоянным:
pV = const. Материал с сайта
Термодинамический процесс, который про-исходит при постоянной температуре, на-зывается изотермическим (от гр. isos — рав-ный, therme — теплота). Графически на коор-динатной плоскости pV он изображается гиперболой, которая называется изотермой (рис. 1.6). Разным температурам отвечают разные изотермы — чем выше температура, тем выше на координатной плоскости pV находится гипербола (T 2 > T 1). Очевидно, что на координатной плоскости рТ и VT изо-термы изображаются прямыми, перпендику-лярными оси температур.
Закон Бойля-Мариотта устанав-ливает соотношение между дав-лением и объемом газа для изотермических процессов: при постоянной температуре объем V данной массы газа обратно пропорциональный его давлению p .
