Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Роль теплоты и её использование

Глобальные процессы теплообмена не сводятся к нагреванию Земли солнечным излучением. Массивными конвекционными потоками в атмосфере определяются суточные изменения погодных условий на всем земном шаре. Перепады температуры в атмосфере между экваториальными и полярными областями совместно с кориолисовыми силами, обусловленными вращением Земли, приводят к появлению непрерывно изменяющихся конвекционных потоков, таких, как пассаты, струйные течения, а также теплые и холодные фронты.

Перенос тепла (за счет теплопроводности) от расплавленного ядра Земли к ее поверхности приводит к извержению вулканов и появлению гейзеров. В некоторых регионах геотермальная энергия используется для обогрева помещений и выработки электроэнергии.

Теплота – непременный участник почти всех производственных процессов. Упомянем такие наиболее важные из них, как выплавка и обработка металлов, работа двигателей, производство пищевых продуктов, химический синтез, переработка нефти, изготовление самых разных предметов – от кирпичей и посуды до автомобилей и электронных устройств.

Многие промышленные производства и транспорт, а также теплоэлектростанции не могли бы работать без тепловых машин – устройств, преобразующих теплоту в полезную работу. Примерами таких машин могут служить компрессоры, турбины, паровые, бензиновые и реактивные двигатели.

Важным источником теплоты для таких целей, как производство электроэнергии и транспортные перевозки, служат ядерные реакции. В 1905 А.Эйнштейн показал, что масса и энергия связаны соотношением E = mc2, т.е. могут переходить друг в друга. Скорость света c очень велика: 300 тыс. км/с. Это означает, что даже малое количество вещества может дать огромное количество энергии. Так, из 1 кг делящегося вещества (например, урана) теоретически можно получить энергию, которую за 1000 суток непрерывной работы дает электростанция мощностью 1 МВт

Законы теплового излучения

Закон Планка

В силу общей природы электромагнитных волн основные законы, которым подчиняется излучение, являются для них общими. Эти законы получены применительно к идеальному телу, которым является абсолютно черное тело, и термодинамически равновесному излучению. При равновесном излучении все тела, входящие в данную замкнутую излучающую систему, принимают одинаковую температуру.

Закон Планка является одним из основных законов излучения. Он устанавливает зависимость интенсивности излучения от температуры и длины волны:

, вт/м2.

Здесь с1 = 0,321∙10-15 ккал∙м2/ч = 0,374∙10-15 вт∙м2 – первая постоянная Планка; с2 = 1,4388∙10-2 м∙°К – вторая постоянная Планка; λ – длина волны, м; Т – абсолютная температура, °К.

Согласно уравнению каждой длине волны соответствует свое значение интенсивности излучения. Поскольку закон Планка получен для идеального тела, для реальных тел он выражает максимально возможную интенсивность излучения.

Задача 2. В сосуде объемом 2 м3 находится смесь 4 кг гелия и 2 кг водорода при температуре 27°С. Определить давление и молярную массу смеси газов.

Дано:

V = 2 м3

m1= 4 кг

М1= 4·10-3 кг/кмоль

m2= 2 кг

М2= 2·10-3 кг/кмоль

Т1= 300 К 

Решение:

Воспользуемся уравнением Менделеева - Клайперона, применив его к гелию и водороду:

 (1)

 (2)

где р1 – парциальное давление гелия; m1 – масса гелия;

р - ?

М - ?

М1 – его молярная масса; V – объем сосуда; Т – температура газа; R = 8,31 Дж/(моль·К) –молярная газовая постоянная; р2 – парциальное давление водорода; m2 – масса водорода; М2 – его молярная масса.

По закону Дальтона:  (3)

Из уравнений (1) и (2) выразим р1 и р2 и подставим в уравнение (3):

 (4)

С другой стороны, уравнение Менделеева - Клайперона для смеси газов имеет вид:

 (5)

Сравнивая (4) и (5) найдем молярную массу смеси газов по формуле:

 , (6)

где ν1 и ν2 – число молей гелия и водорода соответственно.

(кг/моль).

 
 

Ответ: 3·10-3 кг/моль.

. Тепловое движение. Беспорядочное (хаотическое) движение частиц, из которых состоит тело, называется тепловым движением. Его главные особенности: " беспорядочность; " огромное количество частиц, участвующих в этом движении. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, а при понижении - уменьшается.
На главную