1598082719-8919f39816a16b7b9e8153327d533cc4 (805677), страница 47
Текст из файла (страница 47)
Отсутствие соударений между молекулами разреженного газа приводит также к изменению закономерностей процесса теплопроводности. Свободно перемещаясь от одной стенки сосуда к другой, молекулы газа осуществляют непосредственный обмен энергией между стенками, имеющими температуры Т, и Т,. Количество энергии, отданной (или Ряс. 11.16. полученной) в форме теплоты единицей площади .поверхности стенки за единицу времени, пропорционально разности температур и плотности газа (сравните с уравнением 11.32). Эти особенности процесса переноса в разреженных газах используются на практике для создания надежной тепловой изоляции.
Так, например, для уменьшения теплообмена между телом и окружающей средой тело помещают в сосуд Дьюара. Сосуд Дьюара (рис. 11.15) имеет двойные стенки Между стенками находится сильно разреженный воздух, теплопроводность которого весьма мала.
3. Для получения различных степеней разрежения применяют специальные устройства — насосы, создающие предварительное разрежение (форвакуум) до 10 ' мм рт. ст. и различные вакуумные насосы, позволяющие получить весьма малые давления до 10 ' — 10 ' мм рт. ст. Принцип действия форвакуумного насоса может быть пояснен на примере ротационного насоса (рис. 11.16). Внутри цилиндрической полости корпуса насоса А находится эксцентрично расположенный ротор В. В прорезь ротора вставлены две подвижные пластины С, которые под действием находящейся между ними пружины Р, плотно прижимаются к внутренней поверхности корпуса насоса А. При вращении — 241 ротора по часовой стрелке воздух засасывается из сосуда, соединенного с патрубком ггд, н выбрасывается через патрубок Е и клапан К. Для обеспечения герметичности боковые поверхности пластин С прншлифованы к поверхности прорези в роторе, а концы пластин — к внутренней поверхности корпуса А.
Дополнительное уплотнение н смазка трущихся частей осуществляется маслом, залитым во внешний кожух насоса Для получения высокого вакуума до 1О-' мм рт. ст. применяют диффузионные ртутные или масляные насосы. Зги насосы основаны Гаг иг оегегеодаееге егеуда Пары рагугла Рис. 11.17 Ряс. 11.18. на следующем принципе. Струя паров ртути или масла, вытекая нз сопла А 1рнс 1!.17), попадает в сосуд В, стенки которого охлаждаются проточной водой. Прн этом пары конденсируются н образующиеся капли ртути или масла стекают вниз, увлекая за собой молекулы газа, находящчеся ниже сопла А. Давление газа вблизи сопла понижается и через трубку С подсасывается новая порция молекул газа нз откачнваемого сосуда.
Удаление газа из сосуда В производится форвакуумным насосом. На рнс. 11.18 изображена принципиальная схема диффузионного ртутного насоса Ленгмюра. Ртуть, находящаяся в сосуде А, нагревается электрической печью В до температуры 300 — 350 С. Образующиеся при этом пары поступают по трубке С в конденсатор О, стенки которого охлаждаются водой. Трубка Е служит для возвращения сконденсированной ртути в сосуд А На пути газа нз откачиваемого сосуда в конденсатор 0 установлена ртутная ловушка.
Она представляет собой сосуд Е, помещенный в сосуд Дьюара К с жидким азотом илн воздухом. Это приспособление позволяет почти полностью исключить возможность попадания паров ртути в откачиваемый сосуд, так как в сильно охлажденном сосуде Е ртуть переводится в твердое состоянне. — 242— 4. Для измерения давлений применяют приборы, называемые манометрами. Обычные ртутные, водяные и другие манометры, устройство которых известно из курса физики средней школы, не позволяют измерять давления, меньшие десятых долей мм рт, ст. Для измерения малых давлений применяются спепиальные манометры — Мак-Леода. Пирани — Галле и др. Прннпипиальная схема манометра Мак-Леода приведена на рис.
11.19. Манометр состоит из двух сосудов А и Я, двух капилляров К, и К,, имеющих одинаковый диаметр Й канал а, и из соединительных трубок С и г. Ка- С пилляр К~сверху запаян. Трубка С служит для соединения манометра с сосудом, в котором нужно измерить давление р. Перед началом опыта открывают кран В и опускают сосуд А таким образом, чтобы уровень ртути х, в левом колене манометра был ниже разветвлен ия трубок Е. При этом давление в сосуде 4 л Я и капиллярах К, и К, одинаково и равно г измеряемому давлению р, Если затем сосуд А постепенно поднимать вверх, то ртуть будет перетекать в левое колено манометра, разобщая между собой сосуд 1," и капилляр К,. Дальнейшее повышение уровня ртути в сосуде (т вызывает сжатие находящегося в нем газа и вытеснение его в капилляр Кь Сосуд А подни- Е мают до тех пор, пока уровень ртути вкапилляре К, не сравняется с верхним закрытым конном капилляра Кь Разность уровней й ртути в капиллярах К, и К, показывает, насколько давление р, газа в капилляре К, больше измеряемого давления р: йру = р1 — р (11.44) где р — плотность ртути.
Обозначим объем- сосуда Я и капилляра К, через г'. Сжатие газа в капилляре К, производится достаточно медленно, так что его можно считать изотермическим. Поэтому можно воспользоваться законом Бойля — Мариотта: (11. 45) Исключив из уравнений (11.44) и (11 45) давление р„получим следующее выражение для измеряемого давления р: (11.46) Объем сосуда Я во много раз больше объема капилляра К» поэтому лив в формуле (11.46) можно пренебречь величиной — й посравненню 4 с У: лавра ьв пйв 4У (11.4Л ГдЕ к лл лсв? и — постоянная манометра.
4У Формула (11.47) служит для нахождения измеряемого давления р. Манометр Мак-Леода позволяет измерять давления до 10 з мм рт. ст. В качестве второго примера вакуумных манометров рассмотрим тепловой манометр Пиранн — Галле. Этот манометр представляет собой стеклянный баллон, в котором на специальном каркасе из диэлектрика укреплена тонкая платиновая проволока.
Концы проволоки выведены наружу к клеммам манометра. Баллоя имеет отросток, с помощью которого его внутренняя полость сообщается с сосудом, давление в котором нужно измерить. При пропускании электрического тока через платиновую проволоку она нагреваегся, причем выделяющаяся теплота передается в окружающую среду путем теплопроводности и излучения. Выше было указано, что коэффициент теплопроводности разреженных газов зависит линейно от давления. Поэтому при пропускании через платиновую проволоку тока постоянной силы она нагревается тем сильнее, чем меньше давление в баллоне манометра.
Увеличение температуры проволоки в свою очередь вызывает возрастание ее сопротивления. Таким образом, по изменению сопротивления проволоки можно судить о величине измеряемого давления. Для поддержания постоянства температуры стенок баллона манометра его помещают в термостат. Манометр Пирани — Галле до употребления должен быть проградуирован, например, по манометру Мак-Леода. Ввиду того, что теплопроводности разных газов различны, градуировка для каждого газа производится отдельно.
Вопросы дяя повторения — 244— 1. Выведите основное уравнение кинетической теории газов. 2. Каково молекулярно-кинетическое толкование абсолютной температуры? В чем его ограниченность? 3 Начертнте кривую максвеллозского распределення скоростей. Какая скорость харантеризует среднюю нинетичесную энергию молекул газет Какая скорость входит в выражение для средней длины свободного пробега молекул? 4. В чем состоит закон равномерного распределения энергяи по степеням свободы? Всегда ли он справедлив? 5 Изложите основные положения классичесиой и квантовой теорий тепло- емкостей газов. 6 В чем супгиость явлений переноса? Каковы условия нх возникновения и каковы их закономерности? Примеры рвщеимя задач Задача 11.1.
Средняя длинв свободного пробега молекул азота ири температуре 280 К и нормальном зтмооуерном давлении 7,2 ° 1О з м Опре делить среднее число столкновений в-секунду при давлении 0,133 Пв и той же температуре. Решение Дано <г> = —, (и) <л> ' (2з) — 7 где (и) — средняя арифметическая теплового движения молекул. скорость По формуле (11.10) бмТ (") Прн постоянной температуре газа средняя длина свободного пробега (Х) обратно пропорциональна давлению газа: (Хз> =(Хт)— Рг рз Следовательно, <и> Р 8КТ <г,> =— (1з) (1г) рг у/ г!ь Вычисления производим в Международной системе единиц !СИ): 0,133 8. 8,3! 10з 280 1 ' с"т = 8„4 ° !Оз с з.
( ь 7 2 !О-в, ! О1, !О $l 3 14 . 28 Звдвчв П.2. Вычислить кинетическую внергию вращательного движения всех молекул, содержащихся в 1 кг кислорода при 47'С. Решение Дана з 1 (юь) = — ВТ, 2 где и — постоянная Больцманз. Молеиула кислорода содержит два атома и позтому обладает двумя степенями свободы вращательного движения. Следовательно, средняя кинетическая внергия вращательного движения одной молекулы кислорода р,- 1,О! !О Пз, (Х1) в 7,2 ° 10"з м, р О,!33 Пв, Тз Тз 280 К, 0,028 кг/моль /И 1 кг, ! 47'С; Т 320 К, 0,032 кг/моль Среднее число (2) соударений, испытываемых молекулой за единицу времени, кзк показано в 4 11.4, равно По закону о равномерном распределении энергии между всеми степенями свободы малеиулы на одну степень свободы ее поступательного нли вращательного движения в среднем приходится кинетическая энергия (ю'„в) =йт.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
