Ключови думи
идеален газ; истински газ; Закон за газа; Налягане; Сила на звука; Температура; изотермичен; адиабатен; изобарен
Законът за газа
Трите размера натиск P, температура T и сила на звука V на даден газ зависят един от друг. Записано като уравнение, изглежда така:
Закон за газа:
P V = n R T.
(Това обаче е вярно Закон за газа в тази форма строго погледнато само за идеални газове, по този начин тези, чиито частици не взаимодействат помежду си; Така че и те не се кондензират. Въпреки това, той може да се използва и за температури, достатъчно високи над точката на кипене реални газове се прилага.) R е константа и се нарича обща газова константа, n е числото Къртица (Mol е единица, използвана за обозначаване на количеството вещество).
По този начин законът за газа съдържа три количества (при условие, че броят на бенките е непроменен по време на даден процес) - P, V, T. И трите ще се променят по взаимно зависим начин във всеки процес. Повишаването на налягането причинява например намаляване на обема и/или повишаване на температурата; повишаване на температурата увеличаване на обема и/или налягането. Ако една от променливите се поддържа постоянна, има някои специални случаи, които са обяснени по-долу.
Фиг. 1 ¦ балон с горещ въздух
За издигането на балона е важно само слънчевото лъчение, което гарантира, че въздухът в балона се нагрява спрямо температурата на околната среда - той работи и през зимата. Докато грее слънцето - и за съжаление това беше проблемът тук миналата зима. Или беше облачно, или твърде ветровито, или и двете.
Балонът е достъпен под името „Solar Airship” на www.astromedia.de. Край на надписа
1. Ако поддържате обема на даден газ постоянен ...
(например, като го поставите в контейнер) уравнението става:
P = n R T/V или P ∼ T (чете се като: P е пропорционално на T).
Тогава повишаването на температурата (т.е. добавянето на топлина) води до увеличаване на налягането. Това е така, защото повишаването на температурата кара газовите молекули да се движат по-бързо и ги кара да удрят стените на контейнера с по-висока кинетична енергия. Тези сблъсъци на молекулите - или импулсът, предаден към стената на контейнера - са точно това, което се макроскопски възприема като натиск. Обратно, намаляването на температурата води до намаляване на налягането.
Извикват се промени в състоянието при постоянен обем изохор.
При изохорна промяна на състоянието обемът остава постоянен, така че газът не може да извършва никаква работа по обем (което означава - не може да извършва никаква работа, защото ако газът работи, това е работа по обем). Ако сега добавите топлина към него, цялата доставена топлина ще доведе до увеличаване на вътрешната енергия, тъй като никаква енергия не може да се отделя отново като работа. Първата основна клауза по този начин става:
Ето защо тенджера под налягане работи - след като водата се изпари, тя не може да увеличи обема си, поради което налягането и температурата се повишават и картофите се готвят по-бързо при по-висока температура.
2. Ако поддържате температурата постоянна ...
уравнението става:
P V = константа,
произведението на налягането и обема следователно е постоянно при тези условия, и двете са обратно пропорционални един на друг. Ако газът е изложен на двойно по-високо (три пъти по-високо, четири пъти ...) налягане, неговият обем се намалява наполовина (трети, четвърти ...). И обратно, удвояване (утрояване ...) на обема води до намаляване наполовина (третиране ...) на налягането.
Извикват се промени в състоянието при постоянна температура изотермичен.
В случай на изотермична промяна в състоянието, температурата не се променя и по този начин вътрешната енергия също не се променя. Първата основна клауза става:
Цялата доставена топлина се отделя като работа или обратно.
3. Ако поддържате постоянното налягане ...
прилага се уравнението:
V = n R T/P или V ∼ T.
Повишаването на температурата сега води до увеличаване на обема. По-бързо движещите се частици заемат повече място, така че газът се разширява. За да разберем това, ние психически поставяме газа в гъвкав съд, който се разширява с газа. Ако газът и контейнерът не трябваше да се разширяват, частиците щяха да удрят границата по-силно, което води до по-голям импулс, т.е. Но той трябва да остане непроменен, което се постига чрез увеличаване на обема. Защото сега частиците удрят стените на контейнера с по-голяма скорост, но го правят по-рядко (поради по-голямото разстояние). По-ниската честота на ударите също намалява предаването на импулса и по този начин налягането отново.
С намаляване на температурата обемът съответно намалява. Извикват се промени в състоянието при постоянно налягане изобарен.
Има две прости Експерименти, които винаги се приемат добре от зрителите:
Инструкции за експерименти тук:
Детската рок къща - първи експерименти за малки изследователи. Кристоф Мишел, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Манхайм, 2008. Край на изображението
Следващият експеримент се основава на същия принцип - вместо балон в бутилката се засмуква варено яйце.
Във филма можете да видите как яйцето се плъзга в бутилката тук: смучене на яйце в бутилката (моля, обърнете внимание - файлът е 9,1 MB!)
Инструкции за експерименти тук:
Детската рок къща - експерименти. Йоахим Хекер, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2005. Край на изображението
Адиабатна промяна на състоянието
Въздухът в бутилката се охлади - отдаде топлина на околната среда. Това ни води до друг специален случай: адиабатен Промяна на държавата. Промяната на състоянието е адиабатна, когато не се обменя топлина с околната среда. Следователно газът (или друга система) трябва да бъде напълно термично изолиран от околната среда. Въпреки това, процеси, които протичат толкова бързо, че практически не може да се осъществи топлообмен, също са приблизително адиабатни. Например, ходът на компресия в двигателя може да се разглежда като адиабатна компресия (вж. Двигател с вътрешно горене).
Вътрешната енергия на идеалния газ зависи само от неговата температура, при което реалните газове също могат да се считат за идеални при температури далеч над точката на кондензация. Промени във вътрешната енергия могат да бъдат предизвикани чрез добавяне или премахване на топлина или работа. Ако сега компресирате идеален газ, добавяте работа към него, т.е.увеличавате вътрешната му енергия. Ако го компресирате адиабатно - т.е. без добавяне или премахване на топлина - тази работа е единствената промяна във вътрешната енергия. Температурата на газ/въздух се увеличава (тъй като разсейването на топлината е изключено).
Тъй като топлина не се обменя с околната среда, 1-ви закон на адиабатните процеси става:
Адиабатното разширение на газ води до охлаждане на газа, например когато нагрят газ се разширява в цилиндър и изтласква бутало. Той работи върху буталото, като енергията за това идва от вътрешната енергия на газа, която следователно намалява. Кинетичната енергия на частиците се преобразува в кинетичната енергия на буталото, поради което газовите частици я губят, което след това се изразява като намаляване на температурата (тъй като кинетичната енергия на частиците е температура).
Когато слънцето затопля въздушните слоеве близо до земята през сутринта, те се разширяват и след това започват да се издигат поради по-ниската си плътност (така че до този момент примерът всъщност принадлежи под точката „постоянно налягане“). По време на изкачването обаче енергийният обмен между въздушните колети и заобикалящата ги среда може да бъде пренебрегнат и цялото нещо да се разглежда като адиабатен процес. Налягането на въздуха, което намалява с надморската височина, кара въздушните колети да се разширяват. Тъй като няма топлообмен с околната среда, енергията, необходима за увеличаване на обема, трябва да идва от вътрешната енергия на въздушните колети - те се охлаждат. (В действителност, разбира се, има обмен на топлина. Тъй като парцелът с издигащ се въздух е по-топъл от околния въздух, топлината изтича от въздушния пакет. Това охлаждане обаче не може да доведе до разширяване. Енергията за разширяване на обема може да идва само от вътрешната енергия на въздушния парцел идвам.)
Адиабатното изкачване на въздуха може да се симулира със следния експеримент, при който въздушните мехурчета се издигат в олиото за готвене (обаче можете да видите само увеличаването на обема; не и намаляването на температурата в издигащите се въздушни мехурчета).
Издигащият се балон на фигура 1 изглежда не принадлежи към главата „адиабатно изкачване“, тъй като затвореният въздух се нагрява допълнително от черната пластмасова обвивка по време на изкачването.