Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. Учебное пособие для обучающихся по направлению подготовки 35.03.07 Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции, урове.pdf
15. Явление внутреннего трения подчиняется закону …
1) Фурье 3) Ньютона
2) Фика 4) Вант-Гоффа
Упражнения
1. Взрослая корова выделяет при дыхании 0,24 кг воздуха в час
при давлении 105 Па. Температура легких коровы 36,8 °С. Определить объем выдыхаемого ею воздуха за час. Молярная масса воздуха
0,029 кг/моль.
2. Масса воздуха, поступающего в легкие теленка при одном
вдохе, равна 3,35∙10–4 кг, объем выдыхаемого воздуха 0,27 л, температура легких 36,8 °С. Каково давление воздуха в легких теленка?
Молярная масса воздуха 0,029 кг/моль.
3. В автоклаве объемом 10 л находится 0,5 кг воды. Найти давление водяного пара в автоклаве при температуре 200 °С, когда вся
вода превратится в пар.
4. Сколько молекул углекислого газа содержится в выдыхаемом собакой воздухе, если его объем при одном выдохе равен
280 мл? Температура воздуха 37,2 °С и давление 760 мм рт. ст.
5. За сколько времени 740 мг углекислого газа продиффундируют из чернозема в атмосферу через 1 м2 его поверхности при
градиенте плотности 0,7∙10–6 г/см4? Коэффициент диффузии принять
равным 0,05 см/с.
91
6. Молекулярные явления в телах
12
const;TT= =
Ключевые понятия: газообразное состояние, реальный газ,
пар, влажность воздуха, абсолютная влажность воздуха, максимальная влажность воздуха, относительная влажность воздуха, точка
росы, жидкость, поверхностное натяжение жидкости, коэффициент
поверхностного натяжения, смачивание и несмачивание, капиллярные явления, деформация, типы и виды деформации, закон Гука, модуль упругости.
6.1. Молекулярные явления в газах
Состояние, при котором силы притяжения между частицами,
молекулами не могут удержать их рядом друг с другом, вследствие
чего молекулы распространяются по всему предоставленному веществу объему, называется газообразным состоянием. С точки зрения
МКТ находящийся в сосуде газ представляет собой совокупность
множества хаотически движущихся молекул. Молекулы и частицы
вещества в газообразном состоянии движутся хаотично от одного
соударения до другого соударения друг с другом.
Состояние данной массы газа принято характеризовать следующими физическими величинами: давлением, объемом и температурой. Изменение состояния газа, сопровождающееся изменением
всех или некоторых параметров (величин), называется газовым
процессом.
Изотермический процесс – это процесс изменения давления
газа в зависимости от объема, протекающий при неизменной температуре.
Изучая изотермические газовые процессы, английский ученый
Бойль и французский ученый Мариотт независимо друг от друга
установили следующий газовый закон, получивший название закон
Бойля-Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре давление газа изменяется обратно пропорционально объему
92
11 2 2
11 2 2
12
const.
pV p V
p V p V pV
TT
⋅⋅
= ⇒ ⋅ = ⋅ ⇒⋅=
График изотермического процесса называется изотермой. Изо-
p
T
T
V
V
p
абв
12
const;pp= =
11 2 2 1 2
1 2 12
const.
pV p V V V
V
T T TT T
⋅⋅
= ⇒=⇒=
термы представлены на рисунке 6.1.
Рис. 6.1. Изотеры в координатах pT (а), в координатах VT (б),
в координатах pV (в)
Закон Бойля-Мариотта объясняет, почему пузырьки воздуха,
поднимаясь в воде, увеличиваются в объеме: на глубине давление
жидкости больше, чем у поверхности воды.
Изобарный процесс – процесс изменения объема газа в зависимости от температуры, протекающий при неизменном давлении.
Для данной массы газа при постоянном давлении объем газа
прямо пропорционален температуре – закон Гей-Люссака:
График изобарного процесса называется изобарой. Изобары
представлены на рисунке 6.2.
Воздушный шарик, помещенный на сухой лед, сжимается. Давление внутри шарика уменьшается, т.к. уменьшается скорость молекул и сила их удара о стенки шарика. В то же время наружное давление атмосферного воздуха остается постоянным. Результирующее
давление сжимает шарик.
93
p
T
T
V
V
p
абв
Рис. 6.2. Изобары в координатах pT (а), в координатах VT (б),
12
const;VV= =
1122 12
1 2 12
const;
pV p V p p
p
T T TT T
⋅⋅
= ⇒ = ⇒=
p
T
T
V
V
p
абв
в координатах pV (в)
Изохорный процесс – процесс изменения давления газа в зависимости от температуры, протекающий при неизменном объеме.
Для данной массы газа, при постоянном объеме давление газа
изменяется прямо пропорционально температуре – закон Шарля.
График изохорного процесса называется изохорой. Изохоры
представлены на рисунке 6.3.
Рис. 6.3. Изохоры в координатах pT (а), в координатах VT (б),
Адиабатный процесс – процесс, протекающий в термодинамической системе без теплообмена с внешней средой, но при этом
объем, температура и давление газа могут изменяться. Адиабатный
процесс описывается уравнением Пуассона:
в координатах pV (в)
94
11 2 2
;pV p V
γγ
⋅=⋅
где γ – коэффициент Пуассона.
Газообразное состояние имеет две разновидности: газ и пар.
Реальный газ – это вещество, между молекулами которого
действуют силы межмолекулярного взаимодействия (водород, кислород, азот и др.).
Пар – такой реальный газ, который находится в состояниях,
близких к конденсации, то есть к сжатию.
В процессе испарения жидкости молекулы жидкости переходят
в пространство над ее поверхностью и обратно. В начале испарения
число молекул, вылетающих из жидкости, больше, чем возвращающихся. Образующийся при этом в пространстве над жидкостью пар
называется ненасыщенным. По мере увеличения числа молекул над
жидкостью их возвращается в жидкость все больше и больше и, наконец, количество вылетающих и возвращающихся в единицу времени молекул становится одинаковым; тогда наступает состояние
динамического равновесия между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическом равновесии со свой жидкостью, называется
насыщенным.
В состоянии насыщения плотность пара наибольшая; она возрастает с увеличением температуры. Состояние, в котором плотность
некоторого вещества в жидкой фазе оказывается равной ее плотности в фазе насыщенного пара, называется критическим состоянием
вещества. Соответствующие этому состоянию вещества температура и плотность вещества называются «критической температурой»
и критической плотностью»; у разных веществ они различны.
Пар, имеющий температуру большую, чем его критическая
температура, является газом данного вещества. Например, углекислота (СО2) при температуре, большей +31,1 °С – это углекислый газ,
а при температуре меньшей 31,1 °С – это углекислый пар (или пар
углекислоты).
В результате испарения воды водоемами и другими телами
в окружающем воздухе всегда содержится водяной пар; иными словами, воздух всегда более или менее влажный. О влажности воздуха
позволяют судить основные количественные показатели – абсолютная
влажность, максимальная влажность и относительная влажность.
95
Абсолютная влажность воздуха – это физическая величина,
.
m
V
ρ=
0
.
m
V
ρ=
0
100 %.fρ= ⋅
ρ
измеряемая массой водяного пара, содержащегося в одном кубическом метре воздуха:
Единицей измерения абсолютной влажности воздуха является
килограмм на метр кубический (кг/м3).
Абсолютная влажность воздуха характеризует влагосодержание.
Максимальная влажность воздуха – физическая величина,
равная массе водяного пара, содержащегося в одном кубическом метре воздуха в состоянии насыщения при данной температуре:
Единицей измерения максимальной влажности воздуха является килограмм на метр кубический (кг/м3).
Максимальная влажность воздуха измеряется плотностью насыщенного водяного пара. Плотность насыщенного водяного пара
при различных температурах определяется экспериментально.
Относительная влажность воздуха – физическая величина,
равная отношению абсолютной влажности воздуха к ее максимальной влажности при данной температуре:
Относительная влажность воздуха является величиной безразмерной и чаще всего выражается в процентах (%).
Относительная влажность воздуха зависит не только от его влагосодержания, но и от температуры воздуха. При неизменной абсолютной влажности и повышении температуры воздуха его относительная влажность уменьшается, а при понижении – увеличивается.
96
Влажность воздуха влияет на терморегуляцию организма, что
объясняется ее воздействием на испарение влаги из организма. Повышенная влажность воздуха в сочетании с высокой температурой
затрудняет испарение пота, а значит и отдачу тепла организмом. Это
приводит к уменьшению аппетита, появлению вялости, снижению
продуктивности животного. Сочетание высокой влажности и низкой
температуры резко увеличивает у организма теплоотдачу, вызывает
переохлаждение животного и простудные заболевания. Чрезмерная
сухость воздуха приводит к усилению испарения влаги, заставляет
животное терять большое количество воды и много пить, что также
отрицательно сказывается на его продуктивности.
Физиологическими исследованиями установлено, что относительная влажность в пределах 60–80 % оптимальна для животных
и человека. Снижение влажности воздуха в помещениях для животных достигается утеплением зданий, их вентиляцией, своевременной
уборкой навоза и навозной жижи, применением сухой подстилки.
Хранение ряда товаров и продуктов осуществляется при строго определенных параметрах влажности и температуре (табл. 6.1).
В особенности влажность воздуха подлежит точной оценке в закрытых или плохо вентилируемых помещениях (склады, хранилища),
в сушильных камерах и т.д.
Таблица 6.1 – Нормы влажности и температуры при хранении
некоторых продуктов
№
Наименование продукта
п/п
Мясо остывшее
1
и охлажденное
2 Рыба соленая 3–5 85–90 10
3 Рыба мороженая 3–4 90–95 2–3
4 Колбаса вареная, сосиски 3–4 80–85 3
Молоко, кефир,
5
простокваша
6 Сметана, творог 4–6 80–85 3
7 Сыр 2–4 80–85 20
8 Яйца 2–4 75–80 20
Температура, °СОтносительная
влажность, %
2–4 75–80 5
4–6 80–85 1
97
Срок
хранения,
суток
6.2. Молекулярные явления в жидкостях
мн
1
n
p fS
F
l
Жидкостями называются тела, у которых силы взаимодействия
между частицами достаточно велики для сохранения объема и недостаточны для сохранения формы: жидкости принимают форму сосуда, в котором они находятся.
На свободной поверхности жидкости, то есть на границе, разделяющей жидкость и ее пар, образуется мономолекулярный слой
толщиной примерно 15∙10
Молекулы внутри жидкости притягиваются другими молекулами
во все стороны одинаково, при этом результирующая всех сил оказывается равной нулю. Молекулы, лежащие в поверхностном слое,
притягиваются другими молекулами только со стороны жидкости,
поэтому результирующая всех сил направлена вниз. Поверхностный слой жидкости находится в напряженном состоянии, похожем
на натянутую пленку, и оказывает на жидкость молекулярное давление. Это давление, с которым молекулы поверхностного слоя
действуют на остальную жидкость, но не действуют на тела, погруженные в нее.
Молекулярное давление – это сумма сил, действующих на все
молекулы, лежащие в одном квадратном метре поверхностного слоя
жидкости:
–10
м, называемый поверхностным слоем.
ограничена поверхностным контуром, и силы поверхностного натяжения будут действовать на контур с одной стороны. Отношение
силы поверхностного натяжения, действующей с одной стороны на
контур к длине контура, ограничивающего поверхность этой жидкости, называется коэффициентом поверхностного натяжения:
=
in
=
∑
.
=
Если жидкость налить в сосуд, то поверхность жидкости будет
п.н
α=
.
98
Единицей измерения коэффициента поверхностного натяже-
0
2
π
Θ<
2
π
<Θ<π
0Θ=
Θ=π
2
π
Θ=
ния является ньютон на метр (Н/м).
Коэффициент поверхностного натяжения зависит от природы
жидкости, плотности, наличия в ней примесей, химического состава
и температуры. С ростом температуры коэффициент поверхностного натяжения уменьшается. Значения коэффициента поверхностного
натяжения для некоторых жидкостей представлены в таблице 6.2.
Молекулярные силы действуют не только между молекулами
жидкости, но и между молекулами жидкости и твердого тела, которое с жидкостью соприкасается. По величине эти силы зависят от
природы жидкости и твердого тела. Если силы притяжения между
молекулами твердого тела и молекулами жидкости больше, чем между молекулами самой жидкости, то имеет место явление смачивания.
Если силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем
между молекулами жидкости и молекулами твердого тела, то имеет
место явление несмачивания.
Явление смачивания характеризуется величиной краевого
угла Θ, то есть угла между поверхностью твердого тела и касательной к мениску в точках их пересечения. При смачивании краевой
угол острый:
, то смачивание считается идеальным,
, при несмачивании – тупой
. Если
соответствует
идеальному несмачиванию; в этом случае наблюдаются сфериче-
ские формы мениска, вогнутая или выпуклая. При
жидкость
имеет плоскую свободную поверхность – это отсутствие и смачивания, и несмачивания.
Таблица 6.2 – Значения коэффициента поверхностного натяжения
при температуре 21 °С
Жидкость
спирт 490 0,022 моча 1010–1025 0,066
эфир 710 0,017
Плот-
ность,
кг/м
вода 1000 0,072 молоко 1030 0,05
Коэффициент
поверхностного
3
натяжения, Н/м
Жидкость
сыворотка
крови
99
Плотность,
кг/м
1052–1061 0,060
Коэффициент
поверхностного
3
натяжения, Н/м
В очень тонких трубках, щелях и каналах имеет место явление
4 cos
.h
gD
α⋅ Θ
=
ρ⋅ ⋅
капиллярности. Капилляром называют узкие трубки, щели, каналы
диаметром 1 мм и менее. Явление капиллярности заключается в том,
что смачивающая жидкость в капилляре поднимается и устанавливается выше, чем в сообщающимся с ним широком сосуде, а несмачивающая жидкость в капилляре опускается и устанавливается ниже,
чем в сообщающимся с ним широком сосуде. Высота поднятия (или
опускания) жидкости в капилляре зависит от плотности жидкости ρ,
ускорения свободного падения g, диаметра капилляра D, коэффициента поверхностного натяжения α и краевого угла Θ и определяется
по формуле:
В почве образуются капилляры, по которым подпочвенная вода
поднимается к поверхности земли и испаряется (до 10 тонн воды
с 1 га поверхности). Чтобы сохранить влагу, почву надо разрыхлить,
то есть разрушить почвенные капилляры; тогда вода поднимется по
капиллярам только до разрыхленного слоя и здесь сохранится.
Сосуды в стеблях растений, по которым происходит «сокодвижение», тоже являются капиллярами, поэтому «соки» по ним могут
подниматься на высоту в несколько десятков метров. Капиллярность
играет определенную роль и в механизме питания хоботковых насекомых (бабочки, комары, пчелы и др.); их хоботки – капилляры.
6.3. Молекулярные явления в твердых телах
Твердыми называются тела, у которых силы притяжения меж-
ду их частицами (например, молекулами) достаточны для обеспечения постоянства объема и формы.
Для твердых тел характерно явление деформации. Деформа-
ция – это изменение взаимного расположения частиц тела, приводящее к изменению его формы или размеров, в результате внешнего
100