Меню

Давление газа в закрытом сосуде тем больше чем ниже температура

Тема урока: «Давление газа». 7-й класс

Класс: 7

Презентация к уроку

Внимание! Предварительный просмотр слайдов используется исключительно в ознакомительных целях и может не давать представления о всех возможностях презентации. Если вас заинтересовала данная работа, пожалуйста, загрузите полную версию.

Учебник «Физика. 7 кл.» А.В. Перышкин – М. : Дрофа, 2011 г.

Тип урока: комбинированный на основе исследовательской деятельности.

Цели:

  • установить причину существования давления в газах с точки зрения молекулярного строения вещества;
  • выяснить:
  • от чего зависит давление газа
  • как можно его изменить.

Задачи:

  • сформировать знания о давлении газа и природе возникновения давления на стенки сосуда, в котором находится газ;
  • сформировать умение объяснять давление газа на основе учения о движении молекул, зависимости давления от объема при постоянной массе и температуре, а также и при изменении температуры;
  • развить общеучебные знания и умения: наблюдать, делать выводы;
  • способствовать привитию интереса к предмету, развития внимания, научного и логического мышления учащихся.

Оборудование и материалы к уроку: компьютер, экран, мультимедиапроектор, презентация к уроку, колба с пробкой, штатив, спиртовка, шприц, воздушный шар, пластиковая бутылка с пробкой.

План урока:

  1. Проверка домашнего задания.
  2. Актуализация знаний.
  3. Объяснение нового материала.
  4. Закрепление пройденного материала на уроке.
  5. Итог урока. Домашнее задание.

Я предпочитаю то, что можно увидеть, услышать и изучить. (Гераклит) (Слайд 2)

– Это девиз нашего урока

– На прошлых уроках мы с вами узнали о давлении твердых тел, от каких физических величин зависит давление.

1. Повторение пройденного материала

1. Что такое давление?
2. От чего зависит давление твердого тела?
3. Как давление зависит от силы, приложенной перпендикулярно опоре? Каков характер этой зависимости?
4. Как давление зависит от площади опоры? Каков характер этой зависимости?
5. В чем причина давления твердого тела на опору?

Качественная задача.

Одинаковы ли силы, действующие на опору, и давление в обоих случаях? Почему?

Проверка знаний. Тестирование (проверка и взаимопроверка)

Тест

1. Физическая величина, имеющая размерность паскаль (Па), называется:

а) сила; б) масса; в) давление; г) плотность.

2. Силу давления увеличили в 2 раза. Как изменится давление?

а) уменьшится в 2 раза; б) останется прежним; в) увеличится в 4 раза; г) увеличится в 2 раза.

3. Давление можно рассчитать по формуле:

4. Какое давление на пол оказывает ковёр весом 200 Н, площадью 4 м 2 ?

а) 50 Па; б) 5 Па; в) 800Па; г) 80 Па.

5. Два тела равного веса поставлены на стол. Одинаковое ли давление они производят на стол?

2. Актуализация знаний (в форме беседы)

– Почему воздушные шары и мыльные пузыри круглые?
Учащиеся надувают воздушные шары.
– Чем мы заполнили шары? (Воздухом) Чем еще можно заполнить шары? (Газами)
– Предлагаю сжать шары. Что вам мешает сжать шары? Что действует на оболочку шара?
– Возьмите пластиковые бутылки, закройте пробкой и попробуйте сжать.
– О чем пойдет речь на уроке?

– Тема урока: Давление газа

3. Объяснение нового материала

Газы, в отличии от твёрдых тел и жидкостей, заполняют весь сосуд, в котором находятся.
Стремясь расшириться, газ оказывает давление на стенки, дно и крышку любого тела, с которым он соприкасается.
(Слайд 9) Картинки стальных баллонов, в которых находится газ; камеры автомобильной шины; мяча
Давление газа обусловлено иными причинами, чем давление твердого тела на опору.

Вывод: давление газа на стенки сосуда (и на помещенное в газ тело) вызывается ударами молекул газа.
Например, число ударов молекул воздуха, находящегося в комнате, о поверхность площадью 1 см 2 за 1 с выражается двадцатитрехзначным числом. Хотя сила удара отдельной молекулы мала, но действие всех молекул на стенки сосуда значительно, оно и создает давление газа.
Учащиеся самостоятельно работают с учебником. Читают опыт с резиновым шаром под колоколом. Как объяснить этот опыт? (стр.83 рис. 91)

Учащиеся объясняют опыт.

(Слайд 11) Просмотр видеофрагмента с объяснением опыта для закрепления материала.

(Слайд 12) Минутка отдыха. Зарядка для глаз.

«Ощущение тайны – наиболее прекрасное из доступных нам переживаний. Именно это чувство стоит у колыбели настоящей науки».

(Слайд 14) ИМЕЮТ ЛИ ГАЗЫ ОБЪЁМ? ЛЕГКО ЛИ ИЗМЕНИТЬ ОБЪЁМ ГАЗОВ? ЗАНИМАЮТ ЛИ ГАЗЫ ВЕСЬ ПРЕДОСТАВЛЯЕМЫЙ ИМ ОБЪЁМ? ПОЧЕМУ?ПОЧЕМУ? ИМЕЮТ ЛИ ГАЗЫ ПОСТОЯННЫЙ ОБЪЁМ И СОБСТВЕННУЮ ФОРМУ? ПОЧЕМУ?

(Слайд 15) У учащихся сделаны модели из шприцов. Выполнение опыта.
Учащиеся делают вывод: при уменьшении объёма газа его давление увеличивается, а при увеличении объёма давление уменьшается при условии, что масса и температура газа остаются неизменными.

(Слайд 16) Опыт с колбой

– Как изменится давление газа, если нагреть его при постоянном объеме?
При нагревании давление газа в колбе будет постепенно возрастать до тех пор, пока пробка не вылетит из склянки.
Учащиеся делают вывод: давление газа в закрытом сосуде тем больше, чем выше температура газа,при условии, что масса газа и объём не изменяются. (Слайд 17)

Газы, заключенные в сосуде, можно сжимать или сдавливать, уменьшая при этом их объем. Сжатый газ равномерно распределяется во всех направлениях. Чем сильнее вы сжимаете газ, тем выше будет его давление.
Учащиеся делают вывод: давление газа тем больше, чем чаще и сильнее молекулы ударяют о стенки сосуда

4. Закрепление пройденного материала на уроке.

(Слайд 18) Подумай-ка

– Что происходит с молекулами газа при уменьшении объёма сосуда, в котором находится газ?

  • молекулы начинают быстрее двигаться,
  • молекулы начинают медленнее двигаться,
  • среднее расстояние между молекулами газа уменьшается,
  • среднее расстояние между молекулами газа увеличивается.

(Слайд 19) Сравни-ка свои ответы

  1. Чем вызвано давление газа?
  2. Почему давление газа увеличивается при его сжатии и уменьшается при расширении?
  3. Когда давление газа больше: в холодном или горячем состоянии? Почему?

Ответ 1. Давление газа вызвано ударами молекул газа о стенки сосуда или о помещенное в газ тело
Ответ 2. При сжатии плотность газа увеличивается, из-за чего возрастает число ударов молекул о стенки сосуда. Следовательно, увеличивается и давление. При расширении плотность газа уменьшается, что влечет за собой уменьшение числа ударов молекул о стенки сосуда. Поэтому давление газа уменьшается
Ответ 3. Давление газа больше в горячем состоянии. Это связано с тем, что молекулы газа при повышении температуры начинают двигаться быстрее, из-за чего удары их становятся чаще и сильнее.

(Слайд 20) Качественные задачи. (Сборник задач по физике В.И. Лукашик, Е.В.Иванова, Москва «Просвещение» 2007 г. стр. 64)

Читайте также:  Лабильное артериальное давление это как

1. Почему при накачивании воздуха в шину автомобиля с каждым разом становится все труднее двигать ручку насоса?

2. Массы одного и того же газа, находящегося в разных закрытых сосудах при одинаковой температуре, одинаковы. В каком из сосудов давление газа наибольшее? Наименьшее? Ответ объясните

3. Объясните появление вмятины на мяче

Мяч при комнатной температуре

Мяч на снегу в морозный день

Решать загадки можно вечно.
Вселенная ведь бесконечна.
Спасибо всем нам за урок,
А главное, чтоб был он впрок!

Источник

При 7°C давление газа в закрытом сосуде равно 96.0 кПа. Каким станет давление, если охладить сосуд до -33°C?

Закон Шарля: Давление газа фиксированной массы и фиксированного объёма прямо пропорционально абсолютной температуре газа.

Записываем это уравнением: p₁/p₂ = T₁/T₂.

Подставляем числа: (96 кПа)/p₂ = (273 +7 К)/(273 — 33 К).

273? Что за число? ;
p2=96кПа (273+7)/(273-33) верно составлено уравнение?

Как изменится температура кипения, если уменьшится атмосферное давление? Например, высоко в горах?

Вода закипает, когда давление насыщенного пара превысит атмосферное. Поэтому понятно, что при уменьшении атмосферного давления температура кипения падает. Из-за этого например в горах довольно трудно что-то сварить.

Какой химический состав газа, которого мы выпускаем во время «пуканья»?

Кишечные газы — это побочный продукт пищеварения. Образуются в результате жизнедеятельности кишечных бактерий. Представляют собой смесь следующих газов (в порядке уменьшения концентрации): азота, углекислого газа, кислорода, водорода, метана, сероводорода, аммиака, меркаптанов. Неприятный запах смеси придают последние три вида газов. Меркаптаны, кстати, добавляются к бытовому газу (метан, пропан) для придания ему характерного запаха, чтобы сигнализировать о возможных утечках. Поэтому кишечные газы иногда похожи на запах бытового газа и многие ошибочно думают, что этот запах придает им метан.

4 9 · Хороший ответ

Объясните чайнику: если до Большого взрыва Вселенная была бесконечно мала, то как называлось то пространство, которое ее окружало?

Разум цепляется за привычное. Например, мы привыкли, что все тела падают вниз. Привыкли настолько, что в Англии, на родине Ньютона, еще в девятнадцатом веке огромной общественной популярностью пользовалась книга, в которой «доказывалось», что Земля — плоская, ведь иначе мы бы с нее упали. Раз она плоская, у нее должен быть край. Однако, путешествие Магеллана показало — если плыть все время на запад, то снова приплывешь в Европу, только уже с востока. Итак, Земля — шар, а с тем, что люди на другой стороне ходят «вверх ногами», придется смириться, хоть это и противоречит «здравому смыслу».

Ну, «здравый смысл» с тех пор кое-как примирился с законом всемирного тяготения, но теперь есть новая задача — понять, как Вселенная может быть ограниченной в объеме и при этом не иметь «краев» и чего-то «вне». Что ж, лучшая аналогия — это старые игры, где, выходя за конец экрана, какой-нибудь пэкмен, или диггер, или змейка, или Марио оказывались с противоположного. Для них, таким образом, края экрана не существовало.

Ограниченная по объему трехмерная вселенная — это нечто подобное. Представьте себе: вы находитесь в комнате, у которой как будто две двери в противоположных стенах. Вы открываете дверь и видите такую же комнату и себя со спины, открывающего дверь в следующей стене, за которой видна еще одна комната и еще один вы, и так далее. И за спиной у вас скрипнула дверь — на самом деле та же самая, потому что дверь — одна. И происходит это не потому, что существует бесконечное число вас, а потому что вселенная зациклена сама на себя — просто свет делает несколько кругов по этой вселенной прежде чем достичь ваших глаз. Если в этой нашей вселенной сделать скорость света, к примеру, один метр в секунду, то вы будете видеть себя в другой комнате уже с задержкой в несколько секунд. Теперь добавим еще двери, точнее, одну дверь двум другим стенам комнаты. А теперь — люк в полу и потолке с теми же эффектами.

А теперь — уберем стены, пол и потолок! И увидим многократные копии себя же через равные промежутки пространства. Хотя на самом деле эти копии настолько же реальны, насколько ваше отражение в зеркале — то, что мы видим в зеркале отраженную комнату, отнюдь не значит, что есть еще одна комната.

Поздравляю! Вот вы и очутились во вселенной с ограниченным объемом, но без краев и чего-то «вне». Это лишь один из вариантов, тороидальный. В сферической вселенной вы бы видели размытый образ себя во всем поле зрения — причем, считая, что угол обзора у нас 180°, вы бы видели в упор свой затылок, а в нижнем краю зрения — макушку, в верхнем — подошвы обуви, а по бокам — уши. Но это уже мелочи.

Почему так не происходит в нашей Вселенной? Дело в том, что она расширяется, и достаточно удаленные ее участки улетают от нас быстрее скорости света. В общем, даже если вселенная конечна, свет, испущенный нами или отраженный от нас, просто не имеет возможности к нам возвратиться. Это — большой вариант комнаты.

А теперь рассмотрим противоположный сценарий. Будем сжимать нашу комнату без стен. Вот нам уже в ней неуютно. Вот вы в нее уже не помещаетесь, вас прижимает носом к своему собственному затылку, который вы видите перед собой, и вы чувствуете затылком, как к нему прижало ваш же нос. Вот комната становится размером с атомное ядро. И вот мы приходим в состояние «сразу» после Большого Взрыва. «Сразу» заключено в кавычки, потому что время — это тоже лишь измерение пространства. Так что нет не только «вне» вселенной, но и «до» Большого Взрыва. Ну, то есть, в одной из моделей.

Источник

Физика

При рассмотрении идеального газа, находящегося в закрытом сосуде (баллоне), необходимо учитывать, что изменение термодинамических параметров происходит при постоянной массе газа.

Для идеального газа, находящегося в закрытом сосуде, необходимо учитывать следующее:

  • масса газа, находящегося в закрытом сосуде, вследствие изменения его термодинамических параметров не изменяется:
  • объем газа, заполняющего сосуд определенного объема, также фиксирован: V = const;
  • постоянными также остаются следующие параметры газа:

ρ = const; ν = const; n = const;

Читайте также:  Датчика давления воздуха форд фокус 1 где находится

где ρ — плотность газа; ν — количество вещества (газа); n — концентрация молекул (атомов) газа.

Для идеального газа, находящегося в закрытом сосуде и изменяющего свое состояние, уравнение Менделеева — Клапейрона записывается в виде системы (рис. 5.8):Рис. 5.8

p 1 V = ν R T 1 , p 2 V = ν R T 2 , >

где p 1 , T 1 — давление и температура газа в начальном состоянии; p 2 , T 2 — давление и температура газа в конечном состоянии; V — объем баллона; ν — количество газа; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К).

Термин избыточное давление , встречающийся в задачах об идеальном газе в закрытом сосуде (баллоне), означает абсолютную разность между давлением газа, находящегося в сосуде, и давлением на стенки сосуда снаружи:

где p — давление газа, находящегося внутри сосуда; p 0 — давление (атмосферное либо гидростатическое) на стенки сосуда снаружи.

Пример 13. Баллон рассчитан на максимальное избыточное давление 150 МПа. В него накачали газ при температуре 300 К до давления 120 МПа. Постепенно нагревая газ, баллон погружают в воду плотностью 1000 кг/м 3 на глубину 1000 м. До какой максимальной температуры можно нагреть газ в баллоне, чтобы он не взорвался?

Решение . Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона для двух состояний газа, находящегося в баллоне:

где p 1 — первоначальное давление газа в баллоне; p 2 — давление газа в баллоне в конце нагревания; V — объем газа (баллона), V = const; ν — количество вещества (газа) в баллоне; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T 1 — температура газа в начале процесса; T 2 — температура газа в конце процесса.

p 1 V p 2 V = ν R T 1 ν R T 2

позволяет определить давление газа в конце процесса:

В условии задачи задано максимальное избыточное давление, определяемое формулой

p изб max = | p 2 − p 0 | ,

где p 0 — давление снаружи баллона; p 2 — давление газа внутри баллона.

При погружении баллона в воду с одновременным нагреванием указанные давления снаружи и внутри баллона определяются следующими формулами:

  • снаружи (сумма атмосферного и гидростатического давлений) —

p 0 = p атм + p гидр = p атм + ρ 0 gh ,

где p атм — атмосферное давление; p гидр — гидростатическое давление, p гидр = ρ 0 gh ; ρ 0 — плотность воды; g — модуль ускорения свободного падения; h — глубина погружения баллона;

где T 2 — максимальная температура газа (искомая величина).

Подстановка выражений для давлений внутри и снаружи баллона в формулу для избыточного давления дает

p изб max = | p 1 T 2 T 1 − ρ 0 g h − p атм | ≈ | p 1 T 2 T 1 − ρ 0 g h | ,

так как p атм 0 gh , p атм p 2 .

Данное уравнение содержит модуль разности, что приводит к двум независимым уравнениям:

p изб max = p 1 T 2 T 1 − ρ 0 g h , p изб max = ρ 0 g h − p 1 T 2 T 1 ,

из которых следуют две формулы для расчета искомой величины:

T 2 = T 1 ⋅ ρ 0 g h + p изб max p 1 , T 2 = T 1 ⋅ ρ 0 g h − p изб max p 1 .

Максимальному значению искомой температуры соответствует значение, рассчитанное по первой формуле:

T 2 = 300 ⋅ 1000 ⋅ 10 ⋅ 1000 + 150 ⋅ 10 6 120 ⋅ 10 6 = 400 К.

Чтобы баллон не взорвался, его можно погрузить на заданную глубину, одновременно нагревая до температуры 400 К.

Пример 14. Бутылка емкостью 0,75 л выдерживает максимальное избыточное давление 150 кПа. Из бутылки откачивают воздух и запечатывают некоторое количество твердого углекислого газа с молярной массой 44,0 г/моль. Атмосферное давление равно 100 кПа. Считая, что объем твердого углекислого газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом бутылки, найти его максимальную массу, которая не вызовет взрыва бутылки при температуре 300 К?

Решение . Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона для углекислого газа, находящегося в бутылке, после его превращения в газообразное состояние:

где p — давление углекислого газа в бутылке; V — объем газа (бутылки); m — масса углекислого газа в бутылке; M — молярная масса углекислого газа; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T — температура газа.

Записанное уравнение позволяет получить выражение для расчета давления газа внутри бутылки:

В условии задачи задано максимальное избыточное давление, определяемое формулой

p изб max = | p − p 0 | ,

где p 0 — давление снаружи бутылки.

Указанные давления снаружи и внутри бутылки определяются следующим образом:

  • снаружи (атмосферное давление) — p 0 ;
  • внутри (давление углекислого газа) —

где m соответствует искомой величине — максимальной массе углекислого газа.

Подстановка выражений для давлений внутри и снаружи баллона в формулу для избыточного давления дает

p изб max = | m R T V M − p 0 | .

Данное уравнение содержит модуль разности, что приводит к двум независимым уравнениям:

p изб max = m R T V M − p 0 , p изб max = p 0 − m R T V M ,

из которых следуют две формулы для расчета искомой величины:

m = V M ( p 0 + p изб max ) R T , m = V M ( p 0 − p изб max ) R T .

Максимальному значению искомой массы соответствует значение, рассчитанное по первой формуле:

m = 0,75 ⋅ 10 − 3 ⋅ 44,0 ⋅ 10 − 3 ( 100 + 150 ) ⋅ 10 3 8,31 ⋅ 300 = 3,3 ⋅ 10 − 3 кг = 3,3 г .

Чтобы бутылка не взорвалась, в нее можно запечатать не более 3,3 г твердого углекислого газа.

Пример 15. В наличии имеется неограниченное количество баллонов объемом по 4,0 л, заполненных некоторым идеальным газом до давления 500 кПа. Баллоны предназначены для наполнения газом оболочки аэрозонда и их можно соединять между собой. Сколько баллонов с газом необходимо одновременно подсоединить к пустой оболочке аэрозонда объемом 800 дм 3 , чтобы наполнить ее до давления 100 кПа, равного атмосферному? Температура газа при заполнении оболочки не изменяется.

Решение . Для осуществления процесса, описанного в условии задачи, требуется определенное количество газа ν.

Необходимое количество газа заполняет следующий объем:

  • в начале процесса (до заполнения оболочки)

где N — количество баллонов; V бал — объем одного баллона, V бал = 4,0 л;

  • в конце процесса (после заполнения оболочки)

V 2 = NV бал + V обол ,

где V обол — объем оболочки, V обол = 800 дм 3 .

Указанное количество газа находится при давлении:

  • в начале процесса (до заполнения оболочки) —

и совпадает с давлением газа в каждом из баллонов;

  • в конце процесса (после заполнения оболочки) —

и совпадает с давлением в оболочке.

Считая процесс заполнения газом оболочки аэрозонда изотермическим, запишем уравнение Менделеева — Клапейрона следующим образом:

  • в начале процесса (до заполнения оболочки) —

где ν — количество вещества (газа) в оболочке; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T — температура газа (не изменяется в ходе процесса);

  • в конце процесса (после заполнения оболочки) —

записанное в явном виде

p 1 NV бал = p 2 ( NV бал + V обол ),

позволяет получить формулу для вычисления искомого числа баллонов:

N = V обол V бал ⋅ p 2 p 1 − p 2 .

N = 800 ⋅ 10 − 3 4,0 ⋅ 10 − 3 ⋅ 100 ⋅ 10 3 ( 500 − 100 ) ⋅ 10 3 = 50 .

Следовательно, для заполнения оболочки до указанного давления необходимо 50 баллонов с газом.

Читайте также:  Норма атмосферного давления для карелии

Пример 16. Аэростат, оболочка которого заполнена азотом с молярной массой 28 г/моль, находится в воздухе. Молярная масса воздуха равна 29 г/моль. Массы гондолы и оболочки аэростата пренебрежимо малы. Во сколько раз возрастет подъемная сила аэростата, если азот в его оболочке заменить на водород с молярной массой 2,0 г/моль, не изменяя при этом объем аэростата?

Решение . Силы (сила тяжести m g → и сила Архимеда F → A ), действующие на аэростат, показаны на рисунке.

Подъемная сила — это векторная сумма силы тяжести и силы Архимеда:

где F → A — сила Архимеда, действующая на оболочку со стороны воздуха; m g → — сила тяжести; m — масса газа, заполняющего оболочку аэростата; g → — ускорение свободного падения.

В проекциях на вертикальную ось подъемная сила определяется следующими выражениями:

  • при заполнении оболочки азотом —

F под1 = F A1 − m 1 g ,

где F A1 — модуль силы Архимеда, действующей на оболочку аэростата при заполнении оболочки азотом, F A1 = ρ 0 g V 1 ; ρ 0 — плотность воздуха; V 1 — объем оболочки аэростата при заполнении ее азотом (объем воздуха, вытесненного оболочкой); m 1 — масса азота, заполняющего оболочку, m 1 = ρ 1 V 1 ; ρ 1 — плотность азота;

  • при заполнении оболочки водородом —

F под2 = F A2 − m 2 g ,

где F A2 — модуль силы Архимеда, действующей на оболочку аэростата при заполнении оболочки водородом, F A2 = ρ 0 g V 2 ; V 2 — объем оболочки аэростата при заполнении ее водородом (объем воздуха, вытесненного оболочкой); m 2 — масса водорода, заполняющего оболочку, m 2 = ρ 2 V 2 ; ρ 2 — плотность водорода.

Искомой величиной является отношение

F под 2 F под 1 = F A 2 − m 2 g F A 1 − m 1 g .

С учетом записанных выражений для сил Архимеда, масс азота и водорода, а также равенства объемов оболочки при заполнении ее азотом и водородом ( V 1 = V 2 ), указанное отношение принимает вид

F под 2 F под 1 = ρ 0 g V 2 − ρ 2 V 2 g ρ 0 g V 1 − ρ 1 V 1 g = ( ρ 0 − ρ 2 ) V 2 g ( ρ 0 − ρ 1 ) V 1 g = ρ 0 − ρ 2 ρ 0 − ρ 1 .

Плотности воздуха, азота и водорода определим как отношения:

где M 0 — молярная масса воздуха; V µ0 — молярный объем воздуха;

где M 1 — молярная масса азота; V µ1 — молярный объем азота;

где M 2 — молярная масса водорода; V µ2 — молярный объем водорода.

Молярные объемы (объемы одного моля) воздуха, азота и водорода равны между собой, так как газы находятся при одних и тех же условиях:

V µ0 = V µ1 = V µ2 = V µ .

Поэтому формула для расчета искомого отношения приобретает вид

F под 2 F под 1 = ρ 0 − ρ 2 ρ 0 − ρ 1 = M 0 − M 2 M 0 − M 1 .

Расчет дает значение:

F под 2 F под 1 = 29 ⋅ 10 − 3 − 2,0 ⋅ 10 − 3 29 ⋅ 10 − 3 − 28 ⋅ 10 − 3 = 27 .

При замене азота на водород в оболочке аэростата его подъемная сила возрастет в 27 раз.

Пример 17. Воздушный шар с температурой 300 К находится в воздухе при атмосферном давлении 100 кПа. Молярная масса воздуха составляет 29,0 г/моль. Объем воздушного шара равен 830 дм 3 , а масса его оболочки равна 333 г. На сколько градусов необходимо нагреть газ в оболочке, чтобы шар взлетел? Воздух в оболочке шара сообщается с атмосферой.

Решение . Силы, действующие на воздушный шар, показаны на рисунке:

где ρ 0 — плотность воздуха, окружающего шар; g — модуль ускорения свободного падения; V — объем оболочки шара (объем вытесненного оболочкой воздуха);

mg = ( m обол + m возд ) g ,

где m обол — масса оболочки; m возд — масса воздуха в оболочке, m возд = ρ V ; ρ — плотность воздуха внутри оболочки.

Шар взлетает, когда выполняется равенство

или, в проекции на вертикальную ось, —

Преобразуем равенство (условие равновесия шара в воздухе)

с учетом записанных выше выражений

ρ 0 gV = ( m обол + m возд ) g , или (ρ 0 − ρ) V = m обол .

Входящие в равенство плотности воздуха не известны, но фигурируют в качестве параметра в уравнении состояния:

  • для воздуха снаружи оболочки воздушного шара

где p 0 — атмосферное давление; ρ 0 — плотность воздуха снаружи оболочки; R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T 1 — температура окружающего шар воздуха; M — молярная масса воздуха;

  • для воздуха внутри оболочки воздушного шара

где p — давление воздуха внутри оболочки; ρ — плотность воздуха внутри оболочки; T 2 — температура воздуха внутри оболочки.

Давления воздуха внутри и снаружи оболочки воздушного шара одинаковы, так как воздух, находящийся в оболочке, сообщается с атмосферой; поэтому

  • для воздуха снаружи оболочки воздушного шара
  • для воздуха внутри оболочки воздушного шара

Подставим выражения для плотностей в условие равновесия шара в воздухе:

( 1 T 1 − 1 T 2 ) p 0 M V R = m обол .

Температура воздуха внутри оболочки, при которой шар начинает взлетать, определяется как

T 2 = p 0 M V T 1 p 0 M V − R T 1 m обол ,

а искомая разность —

Δ T = T 2 − T 1 = p 0 M V T 1 p 0 M V − R T 1 m обол − T 1 = T 1 p 0 M V R T 1 m обол − 1 .

Δ T = 300 100 ⋅ 10 3 ⋅ 29,0 ⋅ 10 − 3 ⋅ 830 ⋅ 10 − 3 8,31 ⋅ 300 ⋅ 333 ⋅ 10 − 3 − 1 = 158 К.

Следовательно, чтобы воздушный шар начал взлетать, воздух в его оболочке необходимо нагреть на 158 К, или 158 °С.

Пример 18. Камеру футбольного мяча объемом 3,00 л накачивают с помощью насоса, забирающего из атмосферы 0,150 л воздуха при каждом качании. Атмосферное давление составляет 100 кПа. Определить давление в камере после 30 качаний, если первоначально она была пустой. Температура постоянна.

Решение . За N качаний насос забирает из атмосферы определенное количество воздуха ν. Это же количество воздуха попадает в камеру футбольного мяча.

Указанное количество воздуха имеет следующий объем:

  • воздух, забранный из атмосферы за N качаний насоса, —

где V нас — объем насоса, V нас = 0,150 л; N — количество качаний;

  • воздух, накачанный в камеру футбольного мяча, —

где V мяч — объем камеры мяча, V мяч = 3,00 л.

Данное количество воздуха находится при следующем давлении:

  • воздух, забранный из атмосферы за N качаний насоса, —

совпадает с атмосферным давлением;

  • воздух, накачанный в камеру футбольного мяча, — p 2 (является искомой величиной).

Считая процесс заполнения воздухом камеры мяча изотермическим, запишем уравнение Менделеева — Клапейрона следующим образом:

  • для воздуха, забранного из атмосферы за N качаний насоса, —

где R — универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/(моль ⋅ К); T — температура газа (не изменяется в ходе процесса);

  • для воздуха, накачанного в камеру футбольного мяча, —

записанное в явном виде

p 1 NV нас = p 2 V мяч ,

позволяет получить формулу для вычисления давления в камере футбольного мяча:

p 2 = p 1 N V нас V мяч .

p 2 = 100 ⋅ 10 3 ⋅ 30 ⋅ 0,15 ⋅ 10 − 3 3,00 ⋅ 10 − 3 = 150 ⋅ 10 3 Па = 150 кПа.

Источник

Adblock
detector