Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 34
Текст из файла (страница 34)
— Т вЂ” — — — -+ г ~- с+я Ьа аЬ ЬЬ;Тг 2а г г 1', — Ь + — -= — — — — —, (64.4) Сг+)( Сг+)Т т. е. знак разности температур зависит от значений начального объема У, и начальной температуры Ть Изменение температуры реального газа в результате его адиабатического расширения, или, как говорит, адиабатического дросселирования — медленного прохождения газа под действием перепада давления сквозь дроссель (например, пористую перегородку), называется аффектом Джоуля — Томсона. Эффект Джоуля —. Томсона принято называть положительным, если газ в процессе дросселировании охлаждается (ЛТ(О), и отрицательным, если газ нагревается (ЛТ- О), В зависимости от условий дросселировання для одного и того же газа эффект Джоуля — Томсона может быть как положительным, так и отрицательным.
Температура, при которой (для данного давления) происходит изменение знака эффекта Джоуля — - Томсона, называется темпе- З Основы иоввиужигвии финики и !и1, ими'и ниии 11П 2о дс Рис. Чз Рис. 94 Т= — 1 —— (64.5) ратурой инверсии.
Ее зависимость от объема получим, приравняв выражение (64.4) нулю: Кривая, определяемая уравнением (64.5), — кривая инверсии — приведена на рнс. 94. Область выше этой кривой соответствует отрицательному эффекту Джоуля — Томсона, ниже — положительному. Отметим, что при больших перепадах давления на дросселе температура газа изменяется значительно. Так, при дросселировании от 20 до 0,1 МПа и начальной температуре !7 'С воздух охлаждается на 35 'С. Эффект Джоуля -- Томсона обусловлен отклонением газа от идеальности.
В самом деле, для моля идеального газа р(7 =йТ, поэтому выражение (64.2) примет вид СиТ~+КТ~ =СгТэ+((Тм откуда следует, что Т, =Т,. 965. Сжижеиие газов Превращение любого газа в жидкость— сжнжеине газа — возможно лишь при температуре ниже критической (см. 462) При ранних попытках сжижения газов оказалось, что некоторые газы (С4, СОм ИНв) легко сжижались изотермическим сжатием, а целый ряд газов (Ом п(м Нм Не) сжижению не поддавался.
Подобные неудачные попытки объяснил Д. И. Менделеев, показавший, что сжижеиие этих газов производилось при температуре, большей критической, и поэтому заранее было обречено на неудачу. Впоследствии удалось получить жидкий кислород, азот и водород (их критические температуры рав- иы соответственно 154,4, 126,! и 33 К), а в 1908 г, нидерландский физик Г.
Камерлинг-Оннес (1853 †19) добился сжижения гелия, имеющего самую низкую критическую температуру (5,3 К). Для сжижения газов чаще применяются два промышленных метода, в основе которых используется либо эффект Джоуля — Томсона, либо охлаждение газа при совершении им работы.
Схема одной из установок, в которой используется эффект Джоуля Томсона,— машнны Линде' — представлена на рис. 95. Воздух в компрессоре (К) сжимается до давления в десятки мегапаскаль и охлаждается в холодильнике (Х) до температуры ниже температуры инверсии, в результате чего при дальнейшем расширении газа наблюдается положительный эффект Джоуля — Томсона (охлаждение газа при его расширении). Затем сжатый воздух проходит по внутренней трубе теплообменника (ТО) н пропускается через дроссель (Др), при этом он сильно расширяется и охлаждается.
Расширившийся воздух вновь засасывается по внешней трубе теплообменника, охлаждая вторую порцию сжатого воздуха, текущего по внутренней трубе. Так как каждая следующая порция воздуха предварительно охлаждается, а затем пропускается через дроссель, то температура понижается все больше. В результате 6 — 8-часового цикла часть воздуха (-5%), охлаждаясь до температуры ниже критической, сжижается и поступает в дьюаровский сосуд (ДС) (см. 4 49), а остальная его часть возвращается в теплообмеииик. Второй метод сжижения газов основан * К. Линде (1842 †19) — немецкий физик и инженер. з ь к з !П Рсз1гч иг гьзы,;кихкапги и гнердиг гьа на охлаждении газа при совершении нм работы. Сжатый газ, поступая в поршневую машину (детандер), расширяется и совершает при этом работу по передвижению поршня.
Так как работа совершается за счет внутренней энергии газа, то его температура при этом понижается. Академик П. Л. Капица предложил вместо детандера применять турбодетвидер, в катаром газ, сжатый всего лишь до 600 — 600 кПа, охлаждается, совершая рабату по вращению турбины.
Этот метод успешно применен Капицей длн сжнжения гелия, предварительное охлаждение которого производилось жидким азотом. Современные мощные холодильные установки работают по принципу турбодетандера. 9 66. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение Жидкость является агрегатным состоянием вещества, промежуточным между газообразным и твердым, поэтому онв обладает свойствами как газообразных, так и твердых веществ.
Жидкости, подобно твердым телам, обладают определенным объемом, а подобно газам, принимают форму сосуда, в котором они находятся (см. $28). Молекулы газа практически не связаны между собой силами межмолекулярного взаимодействия, и в данном случае средняя энергия теплового движения молекул газа гораздо больше средней потенциальной энергии, обусловленной силами притяжения между ними (см. $60), поэтому молекулы газа разлетаются в разные стороны и газ занимает предоставленный ему объем. В твердых и жидких телах силы притяжения между молекулами уже существенны и удерживают молекулы на определенном расстоянии друг от друга. В этом случае средняя энергия хаотического теплового движения молекул меньше средней потенциальной энергии, обусловленной силами межмачекулярнаго взаимодействия, и ее недостаточна для преодоления сил притяжения между молекулами, поэтому твердые тела и жидкости имеют определенный объем.
Рентгеноструктурный анализ жидкостей показал, что характер расположения частиц жидкости промежуточен между газом и твердым телом. В газах молекулы движутся хаотично, поэтому нет никакой закономерности в их взаимном расположении. Для твердых тел наблюдается так называемый дальний порядок в расположении частиц, т. е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на больших расстояниях. В жидкостях имеет место так называемый ближний порядок в расположении частиц, т.е. их упорядоченное расположение, повторяющееся на расстояниях, сравнимых с межатомными. Теория жидкости до настоящего времени полностью не развита.
Разработка ряда проблем в исследовании сложных свойств жидкости принадлежит Я. И. Френкелю (!894 — )952). Тепловое движение в жидкости он объяснял тем, что каждая молекула в течение некоторого времени колеблется около определенного положения равновесия, после чего скачкам переходит в новое положение, отстоящее ат исходного на расстоянии порядка межатомного.
Таким образом, молекулы жидкости давольно медленно перемешаются по всей массе жидкости и диффузия происходит гораздо медленнее, чем в газах. С повышением температуры жидкости частота колебательного движения резко увеличивается, возрастает подвижность молекул, что, в свою очередь, является причиной уменьшения вязкости жидкости. На каждую молекулу жидкости со стороны окружающих молекул действуют силы притяжении, быстро убывающие с расстоянием (см. рис. 88); следовательно, начиная с некоторого минимального расстояния силами притяжения между молекулами можно пренебречь.
Это расстояние (порядка (О ' м) называется радиусом молекулярного действия г, а сфера радиуса г — сферой молекулярного действия. Выделим внутри жидкости какую. либо молекулу А (рис. 96) и проведем вокруг нее сферу радиуса г. Лостаточно, согласно определению, учесть действие на данную молекулу только тех молекул, которые находятся внутри сферы молекулярного действия. Силы, с которыми эти молекулы действуют на молекулу А, направлены в разные стороны н в среднем скампенси- 112 2 Основы малек;ляриьи физики н ~сгиодипзяяьи Рис. 99 Рнс. 97 рованы, поэтому результирующая сила, действующая на молекулу внутри жидкости со стороны других молекул, равна нулю. Иначе обстоит дело, если молекула, например молекула В, расположена от поверхности на расстоянии, меныпем г.
В данном случае сфера молекулярного действия лишь частично расположена внутри жидкости. Так как концентрация молекул в расположенном над жидкостью газе мала по сравнению с их концентрацией в жидкости, то равнодействующая сил Е, приложенных к каждой молекуле поверхностного слоя, не равна нулю и направлена внутрь жидкости. Таким образом, результирующие силы всех молекул поверхностного слоя оказывают на жидкость давление, называемое молекулярным (или внутренним).
Молекулярное давление не действует на тело, помещенное в жидкость, так как оно обусловлено силами, действующими только между молекулами самой жидкости. Суммарная энергия частиц жидкости складывается из энергии их хаотического теплового движения и потенциальной энергии, обусловленной силами межмолекулярного взаимодействия. Для перемещения молекулы из глубины жидкости в поверхностный слой надо затратить работу. Эта работа совершается за счет кинетической энергии молекул и идет на увеличение их потенциальной энергии.
Поэтом) молекулы поверхностного слоя жидкост~ обладают большей потенциальной энер гней, чем молекулы внутри жидкости. Эта дополнительная энергия, которой обладают молекулы в поверхностном слое жидко. сти, называемая поверхностной энергией, пропорциональна площади слоя Л5; ЛЕ=аЛ5, (66.1) где о — поверхностное натяжение, опре- деляемое как плотность поверхностной энергии. Так как равновесное состояние характеризуется минимумом потенциальной энергии, то жидкость при отсутствии внешних сил будет принимать такую форму, чтобы при заданном объеме она имела минимальную поверхность, т.
е. форму шара. Наблюдая мельчайшие капельки, взвешенные в воздухе, можем видеть, что они действительно имеют форму шариков, но несколько искаженную из-за действия сил земного тяготения. В условиях невесомости капля любой жидкости (независимо от ее размеров) имеет сферическую форму, что доказано экспериментально на космических кораблях. Итак, условием устойчивого равновесия жидкости является минимум поверхностной энергии. Это означает, что жидкость при заданном объеме должна иметь наименьшую площадь поверхности, т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
