Адиабатным сжатием повысили температуру воздуха в двигателе так - Журнал "Автопарк"
Auto-park24.ru

Журнал "Автопарк"
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Адиабатным сжатием повысили температуру воздуха в двигателе так

Ознакомление с содержанием раздела «Молекулярная физика» в базовой и профильной школе. Выполнение демонстрационных опытов «Механическая модель броуновского (хаотического, теплового) движения молекул», «Диффузия газов и жидкостей» , страница 5

До начала демонстрации, поместив сильфон (V=5 усл. ед.) в банку с тающим льдом, обеспечивают температуру воздуха в приборе 0 0 C при атмосферном давлении.

После этого закрывают свободный кран манометра. Повышая температуру воздуха в сильфоне путем впускания в банку пара или подливанием горячей воды, увеличивают объем цилиндра так, чтобы давление оставалось все время постоянным, равным первоначальному. Воду в банке тщательно перемешивают и через каждые 20 0 С измеряют: по шкале прибора объем воздуха в цилиндре в условных единицах (десятые доли определяются на глаз), а с помощью демонстрационного термометра – температуру. Результаты измерений записывают на классной доске в таблицу, вычерчивают графики зависимости объема данной массы газа от его температуры при постоянном давлении. Делают вывод.

Изохорный процесс.

Оборудование: ПГЗ, широкий стеклянный сосуд, термометр, чайник с горячей водой.

Проводят такую же подготовительную работу, как и к предыдущей демонстрации.

По мере нагревания воздуха в сильфоне, о чем судят по демонстрационному термометру, наблюдают по манометру постепенное увеличение давления в цилиндре.

Через каждые 20 0 С записывают на классной доске в таблицу температуру и давление воздуха, вычерчивают график зависимости давления данной массы от его температуры при постоянном объеме. Делают вывод.

Зависимость между объемом, давлением и температурой данной массы газа.

Оборудование: ПГЗ, широкий стеклянный сосуд, термометр, чайник с горячей водой.

Используют ту же установку, что и в предыдущих опытах.

Закрывают свободный кран у манометра (р= 1атм.), измеряют по шкале прибора объем воздуха в цилиндре, а по демонстрационному термометру – температуру воздуха (она равна комнатной).

Затем в банку наливают теплую воду (45-50 0 С) и произвольно изменяют объем, давление и температуру воздуха.

После этого цилиндр переносят в холодную воду (на 10 0 С ниже комнатной), вновь произвольно изменяют объем воздуха. Результаты измерений объема, давления и температуры также заносят в таблицу на доске. Вычисляют значение выражениядля каждого состояния и убеждаются, что все три значения мало отличаются друг от друга. Делают вывод.

Изменение температуры воздуха при адиабатном сжатии и расширении.

Оборудование: 1) цилиндр переменного объема, 2) манометр де­монстрационный ртутный с тройником, 3) гальванометр проекционный с тер­мопарой, 4) резиновая трубка.

Для этого опыта собирают установку, изображенную на ри­сунке. При помощи одной и той же эластичной резиновой трубки соединяют сильфон с манометром и вводят внутрь сильфона термопару. Для этого у конца трубки делают сбоку не­большую щель (прорезь) и через нее продевают наружу термо­пару из тонких гибких проволок. Спай должен выходить из отверстия трубки на 8—10 см. Одну из проволок термопары и место, где она через щель продевается в трубку, завертывают тонким слоем изоляционной ленты.

С помощью винта медленно сжимают в цилиндре воздух и обращают внимание учащихся на то, что его температура все время остается постоянной, а давление постепенно изменяется обратно пропорционально объему. Заметив конечный объем и давление воздуха, постепенно возвращают установку в первона­чальное состояние.

Затем при помощи длинной ручки, вставленной в головку винта, быстро сжимают воздух в сильфоне до намеченного объе­ма. Наблюдают, что теперь температура воздуха повысилась, а давление изменилось на большую величину, чем при медленном сжатии до такого же объема. Итак, при быстром (адиабатном) сжатии воздуха (газа) становится заметным увеличение его внутренней энергии за счет совершенной механической работы.

Переходят ко второй части опыта (расширение воздуха), ко­торую проводят по той же системе. Открывают свободный кран манометра и устанавливают объем цилиндра, например 5 ус­ловных единиц. Через некоторое время кран закрывают и обра­щают внимание учащихся, что температура изолированного воз­духа равна комнатной, а давление—атмосферному.

  • АлтГТУ 419
  • АлтГУ 113
  • АмПГУ 296
  • АГТУ 267
  • БИТТУ 794
  • БГТУ «Военмех» 1191
  • БГМУ 172
  • БГТУ 603
  • БГУ 155
  • БГУИР 391
  • БелГУТ 4908
  • БГЭУ 963
  • БНТУ 1070
  • БТЭУ ПК 689
  • БрГУ 179
  • ВНТУ 120
  • ВГУЭС 426
  • ВлГУ 645
  • ВМедА 611
  • ВолгГТУ 235
  • ВНУ им. Даля 166
  • ВЗФЭИ 245
  • ВятГСХА 101
  • ВятГГУ 139
  • ВятГУ 559
  • ГГДСК 171
  • ГомГМК 501
  • ГГМУ 1966
  • ГГТУ им. Сухого 4467
  • ГГУ им. Скорины 1590
  • ГМА им. Макарова 299
  • ДГПУ 159
  • ДальГАУ 279
  • ДВГГУ 134
  • ДВГМУ 408
  • ДВГТУ 936
  • ДВГУПС 305
  • ДВФУ 949
  • ДонГТУ 498
  • ДИТМ МНТУ 109
  • ИвГМА 488
  • ИГХТУ 131
  • ИжГТУ 145
  • КемГППК 171
  • КемГУ 508
  • КГМТУ 270
  • КировАТ 147
  • КГКСЭП 407
  • КГТА им. Дегтярева 174
  • КнАГТУ 2910
  • КрасГАУ 345
  • КрасГМУ 629
  • КГПУ им. Астафьева 133
  • КГТУ (СФУ) 567
  • КГТЭИ (СФУ) 112
  • КПК №2 177
  • КубГТУ 138
  • КубГУ 109
  • КузГПА 182
  • КузГТУ 789
  • МГТУ им. Носова 369
  • МГЭУ им. Сахарова 232
  • МГЭК 249
  • МГПУ 165
  • МАИ 144
  • МАДИ 151
  • МГИУ 1179
  • МГОУ 121
  • МГСУ 331
  • МГУ 273
  • МГУКИ 101
  • МГУПИ 225
  • МГУПС (МИИТ) 637
  • МГУТУ 122
  • МТУСИ 179
  • ХАИ 656
  • ТПУ 455
  • НИУ МЭИ 640
  • НМСУ «Горный» 1701
  • ХПИ 1534
  • НТУУ «КПИ» 213
  • НУК им. Макарова 543
  • НВ 1001
  • НГАВТ 362
  • НГАУ 411
  • НГАСУ 817
  • НГМУ 665
  • НГПУ 214
  • НГТУ 4610
  • НГУ 1993
  • НГУЭУ 499
  • НИИ 201
  • ОмГТУ 302
  • ОмГУПС 230
  • СПбПК №4 115
  • ПГУПС 2489
  • ПГПУ им. Короленко 296
  • ПНТУ им. Кондратюка 120
  • РАНХиГС 190
  • РОАТ МИИТ 608
  • РТА 245
  • РГГМУ 117
  • РГПУ им. Герцена 123
  • РГППУ 142
  • РГСУ 162
  • «МАТИ» — РГТУ 121
  • РГУНиГ 260
  • РЭУ им. Плеханова 123
  • РГАТУ им. Соловьёва 219
  • РязГМУ 125
  • РГРТУ 666
  • СамГТУ 131
  • СПбГАСУ 315
  • ИНЖЭКОН 328
  • СПбГИПСР 136
  • СПбГЛТУ им. Кирова 227
  • СПбГМТУ 143
  • СПбГПМУ 146
  • СПбГПУ 1599
  • СПбГТИ (ТУ) 293
  • СПбГТУРП 236
  • СПбГУ 578
  • ГУАП 524
  • СПбГУНиПТ 291
  • СПбГУПТД 438
  • СПбГУСЭ 226
  • СПбГУТ 194
  • СПГУТД 151
  • СПбГУЭФ 145
  • СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 379
  • ПИМаш 247
  • НИУ ИТМО 531
  • СГТУ им. Гагарина 114
  • СахГУ 278
  • СЗТУ 484
  • СибАГС 249
  • СибГАУ 462
  • СибГИУ 1654
  • СибГТУ 946
  • СГУПС 1473
  • СибГУТИ 2083
  • СибУПК 377
  • СФУ 2424
  • СНАУ 567
  • СумГУ 768
  • ТРТУ 149
  • ТОГУ 551
  • ТГЭУ 325
  • ТГУ (Томск) 276
  • ТГПУ 181
  • ТулГУ 553
  • УкрГАЖТ 234
  • УлГТУ 536
  • УИПКПРО 123
  • УрГПУ 195
  • УГТУ-УПИ 758
  • УГНТУ 570
  • УГТУ 134
  • ХГАЭП 138
  • ХГАФК 110
  • ХНАГХ 407
  • ХНУВД 512
  • ХНУ им. Каразина 305
  • ХНУРЭ 325
  • ХНЭУ 495
  • ЦПУ 157
  • ЧитГУ 220
  • ЮУрГУ 309

Полный список ВУЗов

  • О проекте
  • Реклама на сайте
  • Правообладателям
  • Правила
  • Обратная связь

Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).

Адиабатный процесс – формула, уравнение с примерами

Среди различных явлений, происходящих с газами, важную роль играет адиабатный процесс. Он широко используется в технике и часто встречается в Природе. Рассмотрим его суть более подробно.

Адиабатный процесс

При изучении законов газовых процессов (изопроцессов) для изменения внутренней энергии газа используется обмен теплом с внешними источниками. Например, в изохорическом процессе, когда объем газа не меняется, увеличение внутренней его энергии возможно за счет внешнего нагрева. Обмен теплом также происходит и в изобарическом и изотермическом процессах.

Рис. 1. Три изопроцесса в газах.

Однако, состояние газа и его внутренняя энергия могут меняться и без теплового обмена с внешними источниками. Такой процесс, для которого количество подведенного тепла равно нулю ($Q=0$), называется адиабатным.

Читать еще:  Автоматическое включение света фар после запуска двигателя схема

Для того, чтобы газовый процесс был приближен к адиабатному в реальных условиях, существует два способа (и их комбинация). Во-первых, можно окружить систему толстой теплоизолирующей оболочкой, сильно замедляющей обмен теплом. Во-вторых, процесс можно проводить очень быстро, при этом теплообмен просто не успеет произойти.

На первый взгляд, может показаться, что если к системе не подводится тепло, то она не может совершать работу. Однако, это не так. Согласно Первому Закону термодинамики, изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества тепла переданного системе:

А это значит, что в адиабатном процессе совершение работы возможно. Но вся эта работа будет произведена за счет изменения внутренней энергии газа.

График адиабаты

Характеристикой внутренней энергии газа является его температура. То есть, если в адиабатном процессе производится работа, то это происходит с обязательным изменением температуры. Например, если работа положительна, и внешние силы сжимают газ, то его температура увеличится, газ нагреется.

Отсюда следует, что давление газа при сжатии в адиабатном процессе будет расти быстрее, чем в изотермическом. В адиабатном процессе давление будет повышаться не только за счет уменьшения объема, но и за счет увеличения температуры. То есть, график адиабаты в координатах $p-V$ внешне будет похож на график изотермы, но пройдет более круто.

Рис. 2. Aдиабата и изотерма в pV.

Можно вывести математические уравнения данных процессов:

  • Изотерма: $pV=const$;
  • Адиабата: $pV^gamma=const$.

Параметр $gamma$ в формуле адиабатного процесса называется показателем адиабаты. Для реальных газов в нормальных условиях показатели адиабаты несколько больше единицы, и равны:

Газ

Показатель

Фактически, изотерму можно представить адиабатой, с показателем адиабаты $gamma=1$.

Адиабатные процессы в Природе и технике

Поскольку при быстром сжатии и расширении газа теплообмен очень невелик, адиабатные процессы широко используются в технике, и играют большую роль в атмосферных явлениях в Природе.

Например, в двигателях внутреннего сгорания горючая смесь после впуска в цилиндр в течение короткого времени сжимается, а затем, после воспламенения смеси в течении короткого времени расширяется. Таким образом, такты сжатия и рабочего хода в двигателях являются хорошими примерами адиабатного процесса.

Значительный нагрев газа при адиабатном процессе используется в дизельных двигателях. В этих двигателях нет систем для поджигания сжатой топливовоздушной смеси. В дизеле происходит сжатие атмосферного воздуха, сильнее, чем в бензиновом карбюраторном двигателе. А в конце сжатия топливо впрыскивается в цилиндр с помощью специальной форсунки. В этот момент воздух имеет температуру, достаточную для самовоспламенения впрыснутой горючей смеси, температура сгоревшей топливовоздушной смеси резко возрастает, смесь расширяется, толкая поршень и совершая полезную работу.

Природные адиабатные процессы играют значительную роль в формировании погоды. Нагретые массы воздуха быстро поднимаются вверх и расширяются. В результате их температура падает ниже точки росы, и влага, содержащаяся в воздухе, конденсируется в облака. Однако, при снижении снова происходит адиабатное сжатие, температура повышается, и облачные капли у нижней границы облаков снова превращаются в пар.

Рис. 3. Образование облаков.

Что мы узнали?

Адиабатный процесс – это газовый процесс, при котором не происходит теплообмена с внешней средой. Работа при адиабатном процессе может быть совершена только за счет изменения внутренней энергии. На графике $p-V$ график адиабаты похож на график изотермы, но пройдет более круто.

АДИАБАТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

Описание презентации по отдельным слайдам:

АДИАБАТНЫЕ ПРОЦЕССЫ В АТМОСФЕРЕ

Когда часть воздуха в атмосфере поднимается то, попадая в область более низкого давления, она начинает расширяться. Это расширение часто можно считать адиабатным так как за время подъема теплообмен между поднимающейся массой воздуха, которая достаточно велика по объему, и окружающей средой просто не успевает произойти. Адиабатным по аналогичной причине можно считать и сжатие опускающихся воздушных масс

Теория адиабатных процессов основывается на уравнении первого закона термодинамики в форме: ∆U=Aвнеш Из этого уравнения видно, если Авнеш>0 внутренняя энергия газа увеличивается так как при этом ∆U>0 и поэтому газ нагревается, с учётом формулы Aвнеш=-р внеш∆U следует что происходит адиабатное сжатие газа . И наоборот, при адиабатном расширении газа когда Авнеш 4 слайд

Поднимающийся вверх влажный воздух охлаждается.

Когда температура воздуха понижается до точки росы, то происходит процесс конденсации имеющегося в воздухе водяного пара, но для этого необходимо, чтобы в воздухе содержалось достаточно большое число ядер конденсации, т. е. некоторых центров, вокруг которых могли бы концентрироваться молекулы водяного пара, образуя в конечном итоге капельки воды. Роль таких ядер могут играть ионы или мельчайшие частицы пыли, сажи или каких-либо других загрязнений индустриального происхождения. Их концентрация составляет в среднем 103 в 1 см3 над океаном, 104 над сушей вне городов и 105 в городах.

Когда водяной пар в поднявшемся на некоторую высоту воздухе начинает конденсироваться, появляются облака.

В большинстве случаев облака представляют собой скопления огромного количества мельчайших капелек воды. Диаметр этих капелек составляет тысячные и сотые доли миллиметра, а их концентрация — сотни в 1 см3. При температурах ниже 0°С облако может содержать кристаллики льда, размер которых в десятки раз больше, чем у капель.

Тому, что облако не падает на землю, есть несколько причин. Если капельки воды в облаке очень маленькие (доли микрометра), то им не дают падать вниз беспорядочные удары окружающих молекул воздуха. Из-за этих ударов капелька непрерывно меняет направление своего движения, перемещаясь по сложной и запутанной траектории, подобно броуновской частице.

Более массивные капли могут начать падать, но сопротивление воздуха, а также его встречные (восходящие) потоки могут вскоре остановить это падение и даже отбросить эти капли вверх. Продолжающие же падение капли могут просто испариться и также не достичь земли.

После того как облако сформировалось, оно будет существовать до тех пор, пока не испарится или не выпадут осадки (дождь, снег, град).

Дождь идет, как правило, из облаков, имеющих температуру ниже О °С и содержащих наряду с каплями воды кристаллики льда. Выпадая из облака и попадая под ним в слои воздуха с положительной температурой, эти кристаллики тают, превращаясь в капли дождя.

Зимой эти кристаллики (в виде снежинок) достигают поверхности земли, не растаяв.

Форма снежинок может быть очень разнообразной, но преобладают, как правило, «звездочки» с 3, 6 или 12 лучами и комплексы из шестигранных кристаллических столбиков, называемые «ежами».

Град, как правило, выпадает при сильной грозе в теплое время года, когда температура воздуха у поверхности земли выше 20 °С. Зародыши градин образуются в облаке за счет случайного замерзания отдельных капель. Падая вниз и сталкиваясь с водяными каплями, они обрастают льдом и увеличиваются в размерах.

При наличии мощных восходящих потоков воздуха они могут удерживаться в облаке, пока не станут достаточно тяжелыми. После этого они выпадают на землю в виде сферических частиц или кусочков льда размером в среднем от 5 до 55 мм. Иногда встречаются и такие градины, размер которых превышает 10 см, а масса достигает 1 кг.

Сильный град наносит большой ущерб сельскому хозяйству, уничтожая посевы, виноградники и т. д.

Для борьбы с градом с помощью ракет или снарядов в облако вводится специальное вещество, способствующее замораживанию капель. Благодаря этому в облаке возникает огромное количество искусственных центров кристаллизации и вода в нем перераспределяется на значительно большее число кристалликов, не позволяя образоваться отдельным крупным градинам. Падая, эти кристаллики тают в теплых слоях воздуха, не успевая достигнуть земли

Читать еще:  Цвет масла в двигателе после того как

1. Какие процессы называют адиабатными? 2. Докажите, что при адиабатном расширении газ охлаждается, а при адиабатном сжатии — нагревается. 3. Из-за чего возникают облака? 4. Почему облака не падают на землю? 5. По какой причине образуется туман? 6. Расскажите о процессах возникновения дождя, снега и града.

Ресурсы С.В.Громов «Физика 11» Москва Просвещение 2005г Диск Platinum DVD-SOFT ADOBE CREATIVE SUITE 2 PREMIUM коллекция 5 тысяч клипов 2002г Фото Бобылёвой Е.А. Фото Сударикова А.Ф.

Презентацию составила Сударикова В.И. учитель физики муниципального общеобразовательного учреждения средней общеобразовательной школы п. Хийденсельга Питкярантского района Республики Карелия

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

Онлайн-конференция для учителей, репетиторов и родителей

Формирование математических способностей у детей с разными образовательными потребностями с помощью ментальной арифметики и других современных методик

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

Презентация « Адиабатные процессы в природе» предназначена для учщихся одиннадцатого класса, обучающихся по учебнику С.В. Громова. В ней объясняется на чём основана теория адиабатных процессов, рассматривается адиабатное расширение и сжатие, образование облаков,что представляют собой облака, и почему облако не падает на землю, почему идёт дождь или снег или град и почему градины могут достигать больших размеров, что делаю для борьбы с градом. В презентации предложены вопросы для закрепления материал по изученной теме. При создании презентации исползованы фотографии из Интернета и снимки сделанные жителями нашего посёлка.

  • Сударикова Валентина ИвановнаНаписать 2598 20.02.2015

Номер материала: 401164

  • Физика
  • Презентации
    20.02.2015 2176
    20.02.2015 964
    20.02.2015 1606
    20.02.2015 958
    20.02.2015 638
    20.02.2015 2251
    20.02.2015 477

Не нашли то что искали?

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Преподаватель пермского вуза продолжал вести лекцию при нападении

Время чтения: 2 минуты

Минкультуры предложило создать совет по развитию библиотечного дела

Время чтения: 2 минуты

В пяти регионах России протестируют новую систему оплаты труда педагогов

Время чтения: 2 минуты

Штаб по выборам в Москве попросит уменьшить число участков в школах

Время чтения: 1 минута

В ОНФ назвали допустимые ограничения на внешний вид школьников

Время чтения: 1 минута

Студент устроил стрельбу в Пермском государственном университете

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Адиабатным сжатием повысили температуру воздуха в двигателе так

Исследователи обнаружили переходы теплоты (скрытой теплоты), которые не сопровождались изменениями температуры тела. Другие опыты показали, что температура тела может измениться и без перехода теплоты. Подобный процесс был в середине 19 в. назван адиабатическим (греческое слово adiabatos — непереходящий). Теория теплорода столкнулась с большими, порой непреодолимыми трудностями при объяснении адиабатических процессов. Эта теория умерла в 40-х годах 19 столетия, а удовлетворительного объяснения не дала и, главное, не могла дать.


Рис. 11. Воздушное огниво, изобретенное в 1803 г. Трубка А закрыта с одного конца и снабжена поршнем В. Когда поршень быстро вдавливают, воздух в трубке сильно нагревается. Трут С воспламеняется.

Воздушное огниво. В 1803 г. французский рабочий самостоятельно изобрел воздушное огниво. Задолго до изобретения воздушного огнива во Франции оно было широко распространено в Юго-Восточной Азии. Воздушное огниво (рис. 11) — это трубка, закрытая с одного конца и снабженная поршнем. При быстром вдавливании поршня воздух в трубке нагревается и трут, прикрепленный к поршню, воспламеняется. В современном воздушном (газовом) огниве (рис. 12) удалось повысить температуру до 10 000′ С и давление до 10 000 кгс см². Повышение температуры при вдавливании поршня в воздушном огниве нашло крупное техническое применение в двигателе Дизеля.


Рис. 12. Современное газовое огниво. В стальной трубке А может перемещаться стальной поршень В. В трубке находится газ при атмосферном давлении. Когда затвор С открывают, сжатый воздух выходит из сосуда D и сообщает ускорение поршню В. Поршень приобретает скорость в несколько десятков метров в секунду и адиабатически сжимает газ в трубке А. В зависимости от давления воздуха в D газ в трубке нагревается до 8000 — 10 000′ С, и давление его повышается до 7000 — 10 000 атм.

Поршень передвигается в огниве быстро, и обменом теплотой между огнивом и окружающей средой можно пренебречь. Сжатие воздуха в огниве — адиабатический процесс. Теория теплорода должна была объяснить, почему при адиабатическом вдавливании поршня температура воздуха в огниве повышается. В чем были трудности объяснения? При адиабатическом сжатии воздуха количество теплоты в нем остается постоянным. Откуда же повышение температуры? Ответ: при сжатии воздуха теплота отделяется от материи подобно тому, как из пропитанной водой губки выжимается вода. Отделившаяся теплота и повышает температуру воздуха.

Еще до изобретения воздушного огнива в Европе было известно, что сжатый воздух, выходящий в атмосферу, охлаждается. Это объясняли тем, что воздух, расширяясь, всасывает теплоту и температура его понижается. Сторонники подобного объяснения предлагали и способ его проверки: отделение теплоты от материи при сжатии воздуха (газа) означало уменьшение теплоемкости (данной массы) газа при уменьшении объема; всасывание теплоты материей при расширении означало возрастание теплоемкости при увеличении объема.


Рис. 13. Опыт Гей-Люссака. В стеклянном двенадцатилитровом баллоне А находится воздух, из такого же баллона В воздух выкачан. С и D — чувствительные термометры. После открытия крана Е воздух переходит в баллон В, пока в обоих баллонах не устанавливается одинаковое давление. Температура в баллоне А понижается ровно на столько же, насколько она повышается в баллоне В. Если массы газа, находящиеся в обоих баллонах, смешать, то температура расширенного газа будет равна первоначальной температуре газа, имевшего меньший объем. Гей-Люссак был сторонником теории теплорода. Гей-Люссак и перепускал газ из одного баллона в другой, чтобы не потерять теплород с расширяющимся газом.

Опыт Гей-Люссака. В 1807 г. Ж. Л. Гей-Люссак (1778 — 1850) экспериментально проверил (рис. 13) объяснение, предлагаемое теорией теплорода. Гей-Люссак и сам был ее сторонником. Опыт Гей-Люссака стал знаменит в истории термодинамики. Выдающийся французский математик А. Пуанкаре (1854 — 1912) спросил: «Что такое хороший опыт? Это такой опыт, который нас осведомляет больше, чем об отдельном факте; это такой опыт, который позволяет нам предвидеть, который позволяет нам обобщать».

Опыт Гей-Люссака — хороший опыт.

Опыты с водородом и двуокисью углерода дали тот же результат. Температура газа в баллоне, куда входил газ, повышалась; температура газа в баллоне, из которого выходил газ, понижалась. Понижение температуры в одном баллоне равнялось ее повышению в другом. После смешения обеих масс газа в двух баллонах температура расширенного газа была равна первоначальной температуре газа, имевшего меньший объем. Результаты опытов Гей-Люссака противоречат объяснению, которое он проверял и хотел подтвердить. Но ни Гей-Люссак, ни два других выдающихся исследователя, в присутствии которых был проведен опыт, П. С. Лаплас и К. Л. Бертолле (1748 — 1822), не поняли смысла опыта. Все трое удивлялись, почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо наружу, в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в другой сосуд.

Читать еще:  Что можно залить в двигатель чтобы поднять компрессию

При выпуске газа в атмосферу он, расширяясь, совершает работу над источником работы, самой атмосферой. При перепуске газа из одного сосуда в другой нет никаких изменений в источнике работы: работа равна нулю. В опыте Гей-Люссака закрытой системой был весь газ в обоих сосудах. Границы системы проходили по оболочке обоих сосудов. Но эта неподвижная граница прерывала связь между закрытой системой и источником работы — атмосферой. Постановка опыта такова, что работа не может не равняться нулю. Прошло еще 35 лет, прежде чем Ю. Р. Майер (1814 — 1878) все это понял и правильно истолковал опыт Гей-Люссака. Но за эти годы провели и другие опыты. Одни из них говорили в пользу теории теплорода, другие — против нее.

Теплоемкость газов при постоянном давлении и при постоянном объеме. Блек, введя понятие о теплоемкости тела, молчаливо принимал, что при повышении температуры давление на тело остается постоянным. (Блек рассматривал жидкие и твердые тела.) Но при исследовании теплоемкости газов стало очевидным: теплоемкость газа зависит от того, повышается ли температура газа при постоянном его давлении или при постоянном его объеме.

В 1813 г. Ф. Деларош и Ж. Э. Берар впервые получили надежные значения теплоемкости газов при атмосферном давлении. Но, измеряя теплоемкость воздуха при повышенном давлении, они ошиблись и заключили, что теплоемкость данной массы воздуха увеличивается с увеличением его объема. Деларош и Берар с торжеством заявили: «Все знают, что при сжатии воздуха выделяется теплота. Это явление уже давно объяснялось предполагаемым изменением теплоемкости воздуха. Но это объяснение основывалось на простом предположении, не имевшем прямого подтверждения. Нам кажется, что полученные нами результаты устраняют всякие сомнения, которые можно выдвинуть против этого объяснения». Деларош и Берар искренне заблуждались.

По уровню экспериментальной техники 19 в. измерения теплоемкости газа при постоянном объеме надо было проводить при малой плотности газа. Но тогда собственная теплоемкость газа составляет малую долю от теплоемкости сосуда, в котором заключен газ, и результат малонадежен. Поэтому для термодинамики удача, что в 1816 г. Лаплас вывел уравнение для скорости звука в газе. В это уравнение входит отношение теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости (равной массы) газа при постоянном объеме. Вычисление теплоемкости газа при постоянном объеме стало возможным.

Повышение температуры твердых тел при ударе и трении. Рассмотрим явления, крайне неприятные для приверженцев теории теплорода. Повышение температуры твердого тела при ударе теория теплорода еще объясняла с тех же позиций, что повышение температуры при сжатии газа. Объяснение как будто бы подтверждали опыты Бертолле (1809). Он нашел; что температура металла, подвергнутого ударам, повышается только тогда, когда объем металла при этом уменьшается. После нескольких первых ударов, когда объем стал мало уменьшаться, повышение температуры тоже почти не наблюдалось. Но как же быть с повышением температуры твердого тела при трении? Трудно было допустить, что при трении объем тела мог уменьшиться. В это место Б. Румфорд (1753 — 1814) и направил свой удар. В 1798 г. Румфорд наблюдал повышение температуры при трении тупого сверла о дно полого металлического цилиндра.

В 20 в. историк науки напишет: «К 30-м годам прошлого столетия большинство сведущих ученых терзались сомнениями относительно природы теплоты. Теория теплорода объясняла почти все явления, за исключением теплоты, которая выделяется при трении. Теория, которая рассматривала теплоту как движение, превосходно объясняла выделение теплоты при трении и ударе. Но эта теория почти ничего больше не объясняла».

Муки ученых, связанные с нерешенной проблемой природы теплоты, еще увеличил другой вопрос. Его поставили паровые машины.


Рис. 14. «Сцена у железной дороги». В. Г. Перов (1860 г.). Картина передает восторг и изумление людей, впервые увидевших на железной дороге паровоз.

Паровые машины. Паровые машины были распространены в Англии еще во второй половине 18 в. После наполеоновских войн все больше паровых машин работало в Европе. В 1830 г. появились первые паровозы в Англии. К 1842 г. они были уже во всех европейских странах. Справедливо мнение, что паровозы повлияли на умы больше, чем паровые машины. «Паровая машина не навязчива. Чтобы увидеть паровую машину, надо захотеть ее увидеть. Паровоз же навязчив: он заставляет на себя смотреть. Паровозы немедленно стали предметом удивления и интереса для всех, кто увидел их в первый раз».

Никто не сомневался, что для работы паровой машины нужна теплота. Само старое название «огненная машина» говорило об этом. Но какова связь между работой и теплотой? Это и есть второй вопрос, который добавился к вопросу о природе теплоты.

В 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796 — 1832) первым начал решать вопрос о связи между работой и теплотой. Он разобрал вопрос и гениально верно, и ошибочно. Ошибка была вызвана тем, что Карно принимал теорию теплорода. К концу своей короткой жизни он отказался от этой теории. Карно не допускал и мысли о производстве паровыми (тепловыми) машинами работы из ничего. Поэтому он должен был искать, откуда берется работа, что является ее эквивалентом. Карно был сведущ в расчетах водяных двигателей, они тогда преобладали во Франции. Он сравнивает падение воды и переход теплоты. Чтобы водяная мельница могла молоть зерно — работать, вода должна падать с высокого уровня на низкий. Чтобы теплота могла совершать работу, она тоже должна переходить с высокого уровня на низкий. Разность высот для воды соответствует разности температур для теплоты. Сравнение ошибочное, но идея о необходимости двух температур верна и гениальна. По теории Карно, для производства работы тепловой машиной необходимы, по крайней мере, два термостата с различными температурами. Суть теории Карно назвали впоследствии принципом Карно. Частный пример совершения объемной работы (глава 1) согласуется с этим принципом. На основе своего принципа Карно разобрал действие тепловых машин — в этом огромная его заслуга. Но обо всем этом в другой главе. В ней изложим, что случилось в термодинамике в 50-х годах 19 в. Но раньше рассказ о событиях 40-х годов 19 в.


Рис. 15. Если бы по какой-нибудь причине исчезли все описания, все чертежи паровой машины и из всех рисунков остался только этот, то он верно донес бы до людей основную мысль Карно: для действия тепловой машины нужны два источника теплоты с различными температурами — нагреватель (огонь) и холодильник (трубы).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector