Термодинаміка - Фізика - Теорія, тести, формули і завдання - Навчання фізиці, Онлайн підготовка до ЦТ і ЄДІ.

  1. Зміст: теплоємність речовини
  2. фазові перетворення
  3. Рівняння теплового балансу
  4. Взаємні перетворення механічної і внутрішньої енергії
  5. Робота ідеального газу
  6. Внутрішня енергія
  7. Перший закон термодинаміки
  8. Перший початок термодинаміки і ізопроцесси
  9. Цикли. теплові машини
  10. Другий закон (другий закон) термодинаміки
  11. Складні завдання з термодинаміки
  12. Розрахунок ККД циклів за графіком
  13. Властивості парів. вологість
  14. Поверхнево натяг

Зміст:

теплоємність речовини

До змісту ...

Якщо в результаті теплообміну тілу передається деяка кількість теплоти, то внутрішня енергія тіла і його температура змінюються. Кількість теплоти Q, необхідне для нагрівання 1 кг речовини на 1 К називають питомою теплоємністю речовини c. Тоді кількість теплоти (енергії) необхідне для зміни температури деякого тіла масою m можна розрахувати за формулою:

Тоді кількість теплоти (енергії) необхідне для зміни температури деякого тіла масою m можна розрахувати за формулою:

При цьому в цій формулі абсолютно не важливо в яких одиницях підставлена ​​температура, так як нам важливо не її абсолютне значення, а зміна. Одиниця виміру питомої теплоємності речовини: Дж / (кг ∙ К).

  • Якщо t 2> t 1, то Q> 0 - тіло нагрівається (отримує тепло).
  • Якщо t 2 <t 1, то Q <0 - тіло охолоджується (віддає тепло).

Твір маси тіла на питому теплоємність речовини, з якого вона виготовлена називається теплоємністю тіла (тобто просто теплоємністю без слова «питома»):

Якщо в умові завдання сказано про теплоємність тіла, то кількість теплоти, віддане або отримане цим тілом, можна розрахувати за формулою:

Отже, запам'ятайте:

  • Питома теплоємність позначається маленькою буквою с, і є характеристикою речовини.
  • (Просто) Теплоємність позначається великою літерою С, і є характеристикою даного тіла.

Нагадаємо, що кількість теплоти Q віддане будь-яким джерелом (нагрівачем) розраховується за формулою: Q = Pt, де: P - потужність джерела, t - час, протягом якого джерело віддавав тепло. При вирішенні завдань не плутайте час робота джерела і температуру.

фазові перетворення

До змісту ...

Фазою речовини називається однорідна система, наприклад, тверде тіло, фізичні властивості якої у всіх точках однакові. Між різними фазами речовини при звичайних умовах існує чітко виражена межа (поверхню) розділу. При зміні зовнішніх умов (температури, тиску, електричних і магнітних полів) речовина може переходити з однієї фази в іншу. Такі процеси називаються фазовими перетвореннями (переходами).

Процес фазового переходу з рідкого стану в газоподібний (пароутворення) або з твердого в рідкий (плавлення) може відбуватися тільки при повідомленні речовини деякої кількості теплоти. Зворотні фазові переходи (конденсація і кристалізація, або затвердіння) супроводжуються виділенням такої ж кількості теплоти.

Кількість теплоти, що надходить в систему або виділяється з неї, змінює її внутрішню енергію. Це означає, що внутрішня енергія пара при 100 ° С більше, ніж рідини при тій же температурі. Зазначені фазові переходи йдуть при постійних температурах, які називаються відповідно температурою кипіння і температурою плавлення. Кількість теплоти, необхідне для перетворення рідини в пару або виділяється парою при конденсації, називається теплотою паротворення:

Кількість теплоти, необхідне для перетворення рідини в пару або виділяється парою при конденсації, називається теплотою паротворення:

де: r - питома теплота пароутворення. Одиниця виміру [r] = 1 Дж / кг. Фізичний зміст питомої теплоти пароутворення: вона дорівнює кількості теплоти, необхідного для перетворення на пару 1 кг рідини, що знаходиться при температурі кипіння. Перетворення рідини в пар не вимагає доведення рідини до кипіння. Вода може перетворитися на пару і при кімнатній температурі. Такий процес називається випаровуванням.

Кількість теплоти, необхідне для плавлення тіла або виділяється при кристалізації (твердінні), називається теплотою плавлення:

де: λ - питома теплота плавлення. Одиниця виміру [λ] = 1 Дж / кг. Фізичний зміст питомої теплоти плавлення: теплота, необхідна для плавлення 1 кг речовини, що знаходиться при температурі плавлення. Питомі теплоти пароутворення і плавлення називаються також прихованими теплотамі, оскільки при фазових переходах температура системи не змінюється, незважаючи на те, що теплота до неї підводиться.

Зверніть увагу: що під час фазових переходів температура системи не змінюється. А також на те, що самі фазові переходи починаються тільки після досягнення необхідної температури.

Найбільш поширеним джерелом енергії для потреб людини є паливо - речовина, при згоранні якого виділяється певна кількість теплоти. Кількість теплоти, що виділяється при згорянні палива масою m, називається теплотою згорання палива:

де: q - питома теплота згоряння (теплотворна здатність, калорійність) палива. Одиниця виміру [q] = 1 Дж / кг. Фізичний зміст питомої теплоти згорання палива: величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється при повному згорянні 1 кг палива.

Рівняння теплового балансу

До змісту ...

Відповідно до закону збереження енергії для замкнутої системи тіл, в якій не відбувається ніяких перетворень енергії, крім теплообміну, кількість теплоти, що віддається більш нагрітими тілами, дорівнює кількості теплоти, що отримується більш холодними. Теплообмін припиняється в стані термодинамічної рівноваги, тобто коли температура всіх тіл системи стає однаковою. Сформулюємо рівняння теплового балансу: в замкнутій системі тіл алгебраїчна сума кількостей теплоти, відданих і отриманих усіма тілами, які беруть участь у теплообміні, дорівнює нулю:

Сформулюємо рівняння теплового балансу: в замкнутій системі тіл алгебраїчна сума кількостей теплоти, відданих і отриманих усіма тілами, які беруть участь у теплообміні, дорівнює нулю:

При використанні такої форми запису рівняння теплового балансу, щоб не зробити помилку, запам'ятайте: коли Ви будете вважати теплоту при нагріванні або охолодженні тіла, потрібно з більшою температури віднімати меншу, щоб теплота завжди була позитивною. Якщо все теплоти записувати з урахуванням знака, де «+» відповідає отриманню енергії тілом, а «-» виділенню, то рівняння теплового балансу можна записати у вигляді:

Якщо все теплоти записувати з урахуванням знака, де «+» відповідає отриманню енергії тілом, а «-» виділенню, то рівняння теплового балансу можна записати у вигляді:

При використанні такої форми запису, потрібно завжди від кінцевої температури віднімати початкову. При такому підході знак їхньої різниці сам «покаже» віддає тіло теплоту або отримує.

Запам'ятайте, що тіло поглинає теплоту якщо відбувається:

  • нагрівання,
  • плавлення,
  • Випаровування.

Тіло віддає теплоту якщо відбувається:

  • охолодження,
  • кристалізація,
  • конденсація,
  • Згоряння палива.

Саме в цій темі, має сенс не вирішувати завдання в загальному вигляді, а відразу підставляти числа.

Взаємні перетворення механічної і внутрішньої енергії

При непружних ударах механічна енергія частково або повністю переходить у внутрішню енергію тіл, тобто тіла можуть нагріватися і плавиться. У загальному випадку зміна механічної енергії одно виділяється кількості теплоти.

Робота ідеального газу

До змісту ...

Термодинаміка - це наука про теплові явища. На противагу молекулярно-кінетичної теорії, яка робить висновки на основі уявлень про молекулярному будову речовини, термодинаміка виходить з найбільш загальних закономірностей теплових процесів і властивостей макроскопічних систем. Висновки термодинаміки спираються на сукупність досвідчених фактів і не залежать від наших знань про внутрішній устрій речовини, хоча в цілому ряді випадків термодинаміка використовує молекулярно-кінетичні моделі для ілюстрації своїх висновків.

Термодинаміка розглядає ізольовані системи тіл, що знаходяться в стані термодинамічної рівноваги. Це означає, що в таких системах припинилися всі спостережувані макроскопічні процеси. Важливою властивістю термодинамічно рівноважної системи є вирівнювання температури всіх її частин.

Якщо термодинамічна система була схильна зовнішнього впливу, то в кінцевому підсумку вона перейде в інший рівноважний стан. Такий перехід називається термодинамічним процесом. Якщо процес протікає досить повільно (в межах нескінченно повільно), то система в кожен момент часу виявляється близькою до рівноважного стану. Процеси, що складаються з послідовності рівноважних станів, називаються квазістатичного (або квазістаціонарними, ще одна назва таких процесів - рівноважні).

У изобарном процесі роботу ідеального газу можна розраховувати за формулами:

Підкреслимо ще раз: роботу газу по розширенню можна вважати за цими формулами тільки якщо тиск постійно. Згідно цій формулі, при розширенні газ здійснює позитивну роботу, а при стисненні - негативну (тобто газ чинить опір стисненню і над ним потрібно здійснювати роботу щоб воно відбулося).

Якщо тиск не можна вважати постійним, то роботу газу знаходять, як площа фігури під графіком в координатах (p, V). Очевидно, що в Ізохоричний процесі робота газу дорівнює нулю.

Очевидно, що в Ізохоричний процесі робота газу дорівнює нулю

З огляду на те, що робота газу чисельно дорівнює площі під графіком, стає зрозуміло, що величина роботи залежить від того, який саме процес відбувався, адже у кожного процесу свій графік, а під ним своя площа. Таким чином, робота залежить не тільки і не стільки від початкового і кінцевого станів газу, скільки від процесу, за допомогою якого кінцеве стан було досягнуто.

Внутрішня енергія

До змісту ...

Одним з найважливіших понять термодинаміки є внутрішня енергія тіла. Всі макроскопічні тіла мають енергію, укладеної всередині самих тел. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії внутрішня енергія речовини складається з кінетичної енергії всіх атомів і молекул і потенціальної енергії їх взаємодії один з одним. Зокрема, внутрішня енергія ідеального газу дорівнює сумі кінетичних енергій всіх частинок газу, що знаходяться в безперервному і безладному тепловому русі. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від його температури і не залежить від обсягу. Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу розраховується за формулами:

Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу розраховується за формулами:

Таким чином, внутрішня енергія U тіла однозначно визначається макроскопічними параметрами, котрі характеризують стан тіла. Вона не залежить від того, яким шляхом було реалізовано дане стан. Прийнято говорити, що внутрішня енергія є функцією стану. Це означає, що зміна внутрішньої енергії не залежить від того, як система була переведена з одного стану в інший (а залежить лише від характеристик початкового і кінцевого станів) і завжди, в будь-яких процесах для одноатомного ідеального газу визначається виразом:

Це означає, що зміна внутрішньої енергії не залежить від того, як система була переведена з одного стану в інший (а залежить лише від характеристик початкового і кінцевого станів) і завжди, в будь-яких процесах для одноатомного ідеального газу визначається виразом:

Зверніть увагу: ця формула вірна тільки для одноатомного газу, зате вона може бути застосована до всіх процесів (а не тільки до Ізобаричний, як формула для роботи). Як видно з формули, якщо температура не змінювалася, то внутрішня енергія залишається постійною.

Перший закон термодинаміки

До змісту ...

Якщо система обмінюється теплом з оточуючими тілами і робить роботу (позитивну або негативну), то змінюється стан системи, тобто змінюються її макроскопічні параметри (температура, тиск, об'єм). Так як внутрішня енергія U однозначно визначається макроскопічними параметрами, котрі характеризують стан системи, то це означає, що процеси теплообміну і здійснення роботи супроводжуються зміною Δ U внутрішньої енергії системи.

Перший закон (початок) термодинаміки є узагальненням закону збереження і перетворення енергії для термодинамічної системи. Він формулюється так: Зміна Δ U внутрішньої енергії неізольованою термодинамічної системи дорівнює різниці між кількістю теплоти Q, переданої системі, і роботою A, досконалою системою над зовнішніми тілами. Однак, співвідношення, що виражає перший закон термодинаміки, частіше записують в трохи іншій формі:

Кількість теплоти, отримане системою, йде на зміну її внутрішньої енергії і здійснення роботи над зовнішніми тілами (таке формулювання більш зручна і зрозуміла, в такому вигляді зовсім очевидно, що це просто закон збереження енергії).

Перший закон термодинаміки є узагальненням дослідних фактів. Згідно з цим законом, енергія не може бути створена або знищена; вона передається від однієї системи до іншої і перетворюється з однієї форми в іншу. Важливим наслідком першого закону термодинаміки є твердження про неможливість створення машини, здатної здійснювати корисну роботу без споживання енергії ззовні і без будь-яких змін всередині самої машини. Така гіпотетична машина отримала назву вічного двигуна (perpetuum mobile) першого роду. Численні спроби створити таку машину незмінно закінчувалися провалом. Будь-яка машина може здійснювати позитивну роботу A над зовнішніми тілами тільки за рахунок одержання деякої кількості теплоти Q від навколишніх тіл або зменшення Δ U своєї внутрішньої енергії.

Адіабатних (адиабатическим) називають процес, в ході якого система не обмінюється теплотою з навколишнім середовищем. При адіабатні процесі Q = 0. Тому: Δ U + A = 0, тобто: A = - Δ U. Газ виконує роботу за рахунок зменшення власної внутрішньої енергії.

Перший початок термодинаміки і ізопроцесси

До змісту ...

Для різних ізопроцессов можна виписати формули за якими можуть бути розраховані отримана теплота Q, зміна внутрішньої енергії Δ U і робота газу A. Ізохорний процес (V = const):

Ізохорний процес (V = const):

Ізобарний процес (p = const):

Ізобарний процес (p = const):

Ізотермічний процес (T = const):

Ізотермічний процес (T = const):

Адіабатний процес (Q = 0):

Адіабатний процес (Q = 0):

Якщо в задачі явно не сказано, що газ одноатомний (або не названий один з інертних газів, наприклад, гелій), то застосовувати формули з цього розділу можна.

Цикли. теплові машини

До змісту ...

Тепловим двигуном називається пристрій, здатний перетворювати отриману кількість теплоти в механічну роботу. Механічна робота в теплових двигунах виробляється в процесі розширення деякого речовини, яке називається робочим тілом. Як робоче тіло зазвичай використовуються газоподібні речовини (пари бензину, повітря, водяна пара). Робоче тіло отримує (або віддає) теплову енергію в процесі теплообміну з тілами, що мають великий запас внутрішньої енергії. Ці тіла називаються тепловими резервуарами.

Реально існуючі теплові двигуни (парові машини, двигуни внутрішнього згоряння і т.д.) працюють циклічно. Процес теплопередачі і перетворення отриманої кількості теплоти в роботу періодично повторюється. Для цього робоче тіло повинне здійснювати круговий процес або термодинамічний цикл, при якому періодично відновлюється початковий стан.

Загальна властивість всіх кругових процесів полягає в тому, що їх неможливо провести, приводячи робоче тіло в тепловий контакт тільки з одним тепловим резервуаром. Їх потрібно, принаймні, два. Тепловий резервуар з більш високою температурою називають нагрівачем, а з більш низькою - холодильником. Здійснюючи круговий процес, робоче тіло отримує від нагрівача деяку кількість теплоти Q 1> 0 і віддає холодильнику кількість теплоти Q 2 <0.

ККД теплової машини може бути розрахований за формулою:

де: Q 1 - кількість теплоти отримане робочим тілом за один цикл від нагрівача, Q 2 - кількість теплоти передане робочим тілом за один цикл холодильника. Робота досконала теплової машиною за один цикл:

Коефіцієнт корисної дії вказує, яка частина теплової енергії, отриманої робочим тілом від «гарячого» теплового резервуара, перетворилася в корисну роботу. Інша частина (1 - η) була «марно» передана холодильника. Коефіцієнт корисної дії теплової машини завжди менше одиниці <1).

Найбільший ККД при заданих температурах нагрівача T 1 і холодильника T 2, досягається якщо теплова машина працює за циклом Карно. Цикл Карно складається з двох ізотерм і двох адіабати. ККД циклу Карно дорівнює:

ККД циклу Карно дорівнює:

Другий закон (другий закон) термодинаміки

До змісту ...

Перший закон термодинаміки не встановлює напрямок протікання теплових процесів. Однак, як показує досвід, багато теплові процеси можуть протікати тільки в одному напрямку. Такі процеси називаються незворотними. Наприклад, при тепловому контакті двох тіл з різними температурами тепловий потік завжди спрямований від більш теплого тіла до більш холодного. Ніколи не спостерігається мимовільний процес передачі тепла від тіла з низькою температурою до тіла з більш високою температурою. Отже, процес теплообміну при кінцевої різниці температур є незворотнім.

Оборотними процесами називають процеси переходу системи з одного рівноважного стану в інший, які можна провести в зворотному напрямку через ту ж послідовність проміжних рівноважних станів. При цьому сама система і навколишні тіла повертаються до вихідного стану.

Незворотними є процеси перетворення механічної роботи у внутрішню енергію тіла через наявність тертя, процеси дифузії в газах і рідинах, процеси перемішування газу при наявності початкової різниці тисків і т.д. Всі реальні процеси необоротні, але вони можуть як завгодно близько наближатися до оборотних процесів. Зворотні процеси є ідеалізацією реальних процесів.

Перший закон термодінамікі НЕ может відрізніті оборотні процеси від незворотніх. ВІН просто требует от термодінамічної процесса Певного енергетичного балансу и Нічого не говорити про ті, чи можливий такий процес чи ні. Напрямок мімовільно протікають процесів встановлює другий закон термодінамікі. Він може бути сформульований у вигляді заборони на певні види термодинамічних процесів.

Англійський фізик У.Кельвін дав в 1851 році наступне формулювання другого закону: В циклічно діючої теплової машині неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в механічну роботу всієї кількості теплоти, отриманого від єдиного теплового резервуара.

Гіпотетичну теплову машину, в якій міг би відбуватися такий процес, називають «вічним двигуном другого роду». Як вже мало стати зрозуміло, другий початок термодинаміки забороняє існування такого двигуна.

Німецький фізик Р.Клаузиус дав інше формулювання другого закону термодинаміки: Неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача енергії шляхом теплообміну від тіла з низькою температурою до тіла з більш високою температурою. Слід зазначити, що обидві формулювання другого закону термодинаміки еквівалентні.

Складні завдання з термодинаміки

До змісту ...

При вирішенні різних нестандартних завдань з термодинаміки необхідно враховувати наступні зауваження:

  • Для знаходження роботи ідеального газу треба побудувати графік процесу в координатах p (V) і знайти площу фігури під графіком. Якщо дан графік процесу в координатах p (T) або V (T), то його спочатку перебудовують в координати p (V). Якщо ж в умови задається математична залежність між параметрами газу, то спочатку знаходять залежність між тиском і об'ємом, а потім будують графік p (V).
  • Для знаходження роботи суміші газів використовують закон Дальтона.
  • При об'єднанні теплоізольованих судин не повинна змінюватися внутрішня енергія всієї системи, тобто на скільки джоулів збільшиться внутрішня енергія газу в одній посудині, на стільки зменшиться в іншому.
  • Взагалі кажучи, тиск і температуру газу можна вимірювати тільки в стані термодинамічної рівноваги, коли тиск і температура у всіх точках судини однакові. Але бувають ситуації, коли тиск однаково в усіх точках, а температура немає. Це може бути наслідком різної концентрації молекул в різних частинах посудини (проаналізуйте формулу: p = nkT).
  • Іноді доводиться в задачах з термодинаміки використовувати знання з механіки.

Розрахунок ККД циклів за графіком

До змісту ...

Завдання даної теми по праву вважаються одними з найскладніших завдань в термодинаміки. Отже, для вирішення Вам доведеться, по-перше, перевести графік процесу в p (V) - координати. По-друге, треба розрахувати роботу газу за цикл. Корисна робота дорівнює площі фігури всередині графіка циклічного процесу в координатах p (V). По-третє, необхідно розібратися, де газ отримує, а де віддає теплоту. Для цього згадайте перший початок термодинаміки. Внутрішня енергія ідеального газу залежить тільки від його температури, а робота - від обсягу. Тому, газ отримує теплоту, якщо:

  • Збільшуються і його температура, і обсяг;
  • Збільшується обсяг, а температура постійна;
  • Збільшується температура, а обсяг постійний.

Газ віддає теплоту, якщо:

  • Зменшуються і його температура, і обсяг;
  • Зменшується об'єм, а температура постійна;
  • Зменшується температура, а обсяг постійний.

Якщо один з параметрів збільшується, а інший зменшується, для того, щоб зрозуміти, віддає газ теплоту або отримує її, необхідно «в лоб» по першому початку термодинаміки розрахувати теплоту і подивитися на її знак. Позитивна теплота - газ її отримує. Негативна - віддає.

Перший тип завдань. В p (V) - координатах графік циклу являє собою фігуру з легко обчислюється площею, і газ отримує теплоту в ізохорно і ізобарних процесах. Застосовуйте формулу:

Застосовуйте формулу:

Зверніть увагу, що в знаменнику стоїть тільки теплота, отримана газом за один цикл, тобто теплота тільки в тих процесах, в яких газ отримував її.

Другий тип завдань. В p (V) - координатах графік циклу являє собою фігуру з легко обчислюється площею, і газ віддає теплоту в ізохорно і ізобарних процесах. Застосовуйте формулу:

Зверніть увагу, що в знаменнику стоїть тільки теплота, віддана газом за один цикл, тобто теплота тільки в тих процесах, в яких газ віддавав її.

Третій тип завдань. Газ отримує теплоту не в зручних для розрахунку ізохорно або ізобарних процесах, в циклі є ізотерми або адіабати, або взагалі «ніякі» процеси. Застосовуйте формулу:

Застосовуйте формулу:

Властивості парів. вологість

До змісту ...

Будь-яка речовина за певних умов може перебувати в різних агрегатних станах - твердому, рідкому і газоподібному. Перехід з одного стану в інший називається фазовим переходом. Випаровування і конденсація є прикладами фазових переходів.

Випаровуванням називається фазовий перехід з рідкого стану в газоподібний. З точки зору молекулярно-кінетичної теорії, випаровування - це процес, при якому з поверхні рідини вилітають найбільш швидкі молекули, кінетична енергія яких перевищує енергію їх зв'язки з іншими молекулами рідини. Це призводить до зменшення середньої кінетичної енергії залишилися молекул, тобто до охолодження рідини (якщо немає підведення енергії від оточуючих тел).

Конденсація - це процес, зворотний процесу випаровування. При конденсації молекули пара повертаються в рідину.

У закритій посудині рідина і її пар можуть перебувати в стані динамічної рівноваги, тобто число молекул, що вилітають з рідини, дорівнює числу молекул, що повертаються в рідину з пара, це означає, що швидкості процесів випаровування і конденсації однакові. Таку систему називають двухфазной. Пар, що знаходиться в рівновазі зі своєю рідиною, називають насиченою.

Насичена пара має максимальні: тиск, концентрацію, щільність при даній температурі. Вони залежать тільки від температури насиченої пари, але не від його обсягу.

Це означає, що якщо б ми посудину закритий не кришкою, а поршнем, і після того, як пар став насиченим, стали б його стискати, то тиск, щільність і концентрація пари не змінилися б. Якщо бути більш точним, то тиск, щільність і концентрація на невеликий час збільшилися б, і пар став би перенасиченим. Але відразу ж частина пара перетворилася б в воду, і параметри пара стали б колишніми. Якщо підняти поршень, то пар перестане бути насиченим. Однак за рахунок випаровування через деякий час знову стане насиченим. Тут слід врахувати, що якщо води на дні посудини немає або її трохи, то це випаровування може виявитися недостатнім, щоб пар знову став насиченим.

  • Фраза: «У закритій посудині з водою ...» - означає, що над водою насичений пар.
  • Випадання роси означає, що пар стає насиченим.

Абсолютною вологістю ρ називають кількість водяної пари, що міститься в 1 м3 повітря (тобто просто щільність водяної пари; з рівняння Клапейрона-Менделєєва виражається відношення маси до об'єму і виходить така формула):

де: р - парціальний тиск водяної пари, М - молярна маса, R - універсальна газова стала, Т - абсолютна температура. Одиниця виміру абсолютної вологості в СІ [ρ] = 1 кг / м3, хоча зазвичай використовують 1 г / м3.

Відносною вологістю φ називається відношення абсолютної вологості ρ до тієї кількості водяної пари ρ 0, яке необхідно для насичення 1 м3 повітря при даній температурі:

Відносною вологістю φ називається відношення абсолютної вологості ρ до тієї кількості водяної пари ρ 0, яке необхідно для насичення 1 м3 повітря при даній температурі:

Відносну вологість можна також визначити як відношення тиску водяної пари р до тиску насиченої пари р 0 при даній температурі:

Відносну вологість можна також визначити як відношення тиску водяної пари р до тиску насиченої пари р 0 при даній температурі:

Випаровування може відбуватися не тільки з поверхні, але і в об'ємі рідини. У рідині завжди є найдрібніші бульбашки газу. Якщо тиск насиченої пари рідини дорівнює зовнішньому тиску (тобто тиску газу в бульбашках) або перевищує його, рідина буде випаровуватися всередину бульбашок. Пухирці, наповнені паром, розширюються і спливають на поверхню. Цей процес називається кипінням. Таким чином, кипіння рідини починається при такій температурі, при якій тиск її насиченої пари стає рівним зовнішньому тиску.

Зокрема, при нормальному атмосферному тиску вода кипить при температурі 100 ° С. Це означає, що при такій температурі тиск насичених парів води дорівнює 1 атм. Важливо знати, що температура кипіння рідини залежить від тиску. У герметично закритій посудині рідина кипіти не може, тому що при кожному значенні температури встановлюється рівновага між рідиною і її насиченим паром.

Поверхнево натяг

До змісту ...

Молекули речовини в рідкому стані розташовані майже впритул один до одного. На відміну від твердих кристалічних тіл, в яких молекули утворюють впорядковані структури у всьому об'ємі кристала і можуть здійснювати теплові коливання близько фіксованих центрів, молекули рідини мають більшу свободу. Кожна молекула рідини, також як і в твердому тілі, «затиснута» з усіх боків сусідніми молекулами і робить теплові коливання близько деякого положення рівноваги. Однак, час від часу будь-яка молекула може стрибком переміститися в сусіднє вакантне місце. Такі переходи в рідинах відбуваються досить часто; тому молекули не прив'язані до певних центрам, як в кристалах, і можуть переміщатися по всьому об'єму рідини. Цім пояснюється плінність рідін.

Внаслідок щільної упаковки молекул стисливість рідин, тобто зміна обсягу при зміні тиску, дуже мала; вона в десятки і сотні тисяч разів менше, ніж в газах.

Найцікавішою особливістю рідин є наявність вільної поверхні. Рідина, на відміну від газів, не заповнює весь об'єм посудини, в який вона налита. Між рідиною і газом (або парою) утворюється межа розділу, яка знаходиться в особливих умовах у порівнянні з рештою маси рідини. Молекули в прикордонному шарі рідини, на відміну від молекул в її глибині, оточені іншими молекулами тієї ж рідини не з усіх боків. Сили міжмолекулярної взаємодії, які діють на одну з молекул усередині рідини з боку сусідніх молекул, в середньому взаємно скомпенсовані. Будь-яка молекула в прикордонному шарі притягається молекулами, що знаходяться всередині рідини (силами, що діють на дану молекулу рідини з боку молекул газу (або пара) можна знехтувати). В результаті з'являється деяка рівнодіюча сила, спрямована вглиб рідини. Якщо молекула переміститься з поверхні всередину рідини, сили міжмолекулярної взаємодії здійснять позитивну роботу. Навпаки, щоб витягнути кілька молекул з глибини рідини на поверхню (тобто збільшити площу поверхні рідини), треба затратити позитивну роботу зовнішніх сил Δ A зовн, пропорційну зміні Δ S площі поверхні.

Отже, молекули поверхневого шару рідини мають надлишкову порівняно з молекулами всередині рідини потенційною енергією. Потенційна енергія Ep поверхні рідини пропорційна її площі:

Коефіцієнт σ називається коефіцієнтом поверхневого натягу (σ> 0). Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу дорівнює роботі, необхідної для збільшення площі поверхні рідини на одиницю при постійній температурі. В СІ коефіцієнт поверхневого натягу вимірюється в джоулях на метр квадратний (Дж / м2) або в ньютонах на метр (1 Н / м = 1 Дж / м2).

З механіки відомо, що рівноважним станам системи відповідає мінімальне значення її потенційної енергії (будь-яке тіло завжди прагне скотитися з гори, а не забратися на неї). Звідси випливає, що вільна поверхня рідини прагне скоротити свою площу. З цієї причини вільна крапля рідини приймає кулясту форму. Рідина поводиться так, як ніби по дотичній до її поверхні діють сили, що скорочують (стягують) цю поверхню. Ці сили називаються силами поверхневого натягу. Наявність сил поверхневого натягу робить поверхню рідини схожою на пружну розтягнуту плівку. Сила поверхневого натягу, що діє на ділянку кордону рідини довжиною L обчислюється за формулою:

Сила поверхневого натягу, що діє на ділянку кордону рідини довжиною L обчислюється за формулою:

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу σ може бути визначений як модуль сили поверхневого натягу, що діє на одиницю довжини лінії, яка обмежує поверхню.

Капілярними явищами називають підйом або опускання рідини в трубках малого діаметра - капілярах. Змочуючі рідини піднімаються по капілярах, несмачіваемих - опускаються. При цьому висота стовпа рідини в капілярі:

При повному змочуванні θ = 0 °, cos θ = 1. У цьому випадку висота стовпа рідини в капілярі стане рівною:

При повному несмачіванія θ = 180 °, cos θ = -1 і, отже, h <0 Рівень несмачіваемих рідини в капілярі опускається нижче рівня рідини в посудині, в яку опущено капіляр.

Новости