Физика Б1.Б8.
Молекулярная физика и термодинамика
1. Введение
Молекулярная физика — это раздел физики, который рассматривает свойства макроскопических тел и их агрегатные состояния с точки зрения их молекулярного строения, взаимодействия и движения молекул. Она изучает явления, происходящие внутри макроскопических тел.
Основы молекулярной физики были заложены трудами Ломоносова, Джоуля, Больцмана, Клаузиуса, Максвелла и других ученых. Благодаря их трудам молекулярная физика прочно утвердилась в науке. Непосредственным опытным подтверждением молекулярно-кинетической теории являются процесс диффузии, броуновского движения, распространения запаха и многие другие явления.
Движение каждой молекулы в веществе может быть описано законами классической механики. Однако число молекул в веществе чрезвычайно велико, направления и величины скоростей молекул совершенно случайны и непрерывно изменяются так, что становится невозможным охватить уравнениями движения всю совокупность молекул и сделать какие-либо выводы об их поведении.
Тем не менее, состояние вещества и его изменение определяется заданием небольшого числа определенных параметров, как температура, давление, объем, плотность и т.д., значения которых невозможно указать на основе решений уравнений классической механики. Дело в том, что свойства огромного числа молекул подчиняется особым, статистическим закономерностям. Статистическая физика изучает статистические закономерности, описывающие поведение большой совокупности объектов. Она основывается на теории вероятностей и позволяет вычислять средние значения величин, характеризующих движение всей совокупности молекул (средние скорости молекул, средние кинетические энергии, средние значения импульса и т. д.) и на этой основе истолковывает свойства вещества, непосредственно наблюдаемые на опыте (давление, температура и т.д.). В этом состоит суть молекулярно-кинетического изучения вещества.
Наряду со статистическим, существует термодинамический метод изучения вещества. В отличие от статистического метода термодинамический метод не интересуется строением вещества. Термодинамика изучают условия превращения энергии и характеризует их с количественной стороны.
В основе термодинамики лежит небольшое число закономерностей, установленных на основе большого числа опытных фактов и получивших название начала термодинамики.
У статистической физики и термодинамики общий предмет изучения – свойства вещества и происходящие в нем процессы. Подходя к изучению этих свойств с разных точек зрения, эти методы взаимно дополняют друг друга.
Совокупность тел, могущих обмениваться энергией между собой и с внешними телами, не входящими в эту систему, называется термодинамической системой. Одним из основных понятий термодинамики является понятие состояния системы. Состояние системы определяется совокупностью значений всех величин, характеризующих физические свойства системы и называемых термодинамическими параметрами (температура, давление плотность, теплоемкость, электропроводность и т. д.). Состояние системы называется стационарным, если значения всех термодинамических параметров не изменяются во времени. Стационарное состояние называется равновесным, если его неизменность не обусловлена протеканием каких-либо процессов во внешних по отношению к данной системе телах.
Исследования показывают, что параметры состояния тел взаимно связаны и могут быть выражены друг через друга. Поэтому термодинамическое состояние задается только ограниченным числом параметров состояния. Такие параметры называются основными параметрами состояния. Важнейшими параметрами состояния химически однородных систем являются плотность, объем, давление, температура. И между этими параметрами существует связь, выражаемая в виде математического уравнения 
. Уравнение, связывающее основные параметры состояния, называется уравнением состояния системы.
Источник
Способы понижения температуры газа
Автор: Крайнов Никита
Газы- агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объём. Газы обладают рядом характерных свойств. В отличие от твёрдых тел и жидкостей, объём газа существенно зависит от давления и температуры.
Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием, если температура газа ниже критической. Те вещества, которые мы привыкли считать газами, просто имеют очень низкие критические температуры, то есть температуры, после достижения которых, газ приобретает свойства жидкости, и поэтому при температуре, близкой к комнатной, не могут находиться в жидком состоянии. Наоборот, у веществ, причисляемых нами к жидкостям, критические температуры велики.
Меня заинтересовал вопрос о том, какие свойства имеет сжиженный газ, в каких сферах он применяется ? Тема работы актуальна на сегодняшний день, так как сжиженные газы востребованы во многих областях медицины, науки и техники. В связи с этим я и поставил перед собой следующие цели и задачи:
Цель: -рассмотрение природы явления и свойств сжиженных газов
* Изучить материал об сжиженных газах
* Определить свойства сжиженных газов
Опытный факт охлаждения вещества при испарении был известен издавна и даже практически использовался (например, применение пористых сосудов для сохранения свежести воды). Но первое научное исследование этого вопроса предпринял Джан Франческо Чинья и описал в работе 1760 г. «De frigore ex evaporationе» («О холоде вследствие испарения»).
Проблема сжижения газов имеет вековую историю, берущую свое начало во второй половине XVIII столетия. Началось все с сжижения аммиака простым охлаждением, которое произвел ван Марум, серного ангидрида — Монж и Клуэ, хлора — Нортмор (1805 г.) и сжижения аммиака компрессионным методом, предложенным Баччелли (1812 г.).
Определяющий вклад в решение этой проблемы одновременно и независимо внесли Шарль Каньяр де Латур (1777—1859) и Майкл Фарадей (1791—1867).
Что такое сжиженный газ и его свойства
Сжижение газов — это обращение газов в жидкое состояние. Может быть произведено сжатием газа (повышением давления) и одновременным его охлаждением.
Всякий газ может быть переведён в жидкое состояние, но необходимым условием для этого является предварительное охлаждение газа до температуры ниже «критической». Углекислый газ, например, можно сжижать при комнатной температуре, поскольку его критическая температура равна 31,1 0 С. То же, можно сказать и о таких газах, как аммиак и хлор.
Но есть и такие газы, которые при комнатной температуре нельзя перевести в жидкое состояние. К таким газам относятся воздух, водород и гелий, у которых критические температуры значительно ниже комнатной. Для сжижения таких газов их необходимо предварительно охладить до температуры несколько ниже критической, после чего повышением давления газ может быть переведён в жидкое состояние.
Использование сжиженных газов
Сжиженные газы находят широкое применение в технике. Азот идёт для получения аммиака и азотных солей, употребляемых в сельском хозяйстве для удобрения почвы. Аргон, неон и другие инертные газы используются для наполнения электрических ламп накаливания, а также газосветных ламп. Наибольшее применение имеет кислород. В смеси с ацетиленом или водородом он даёт пламя очень высокой температуры, применяемое для резки и сварки металлов. Вдувание кислорода (кислородное дутьё) ускоряет металлургические процессы. Доставляемый из аптек в подушках кислород действует как обезболивающее. Особенно важным является применение жидкого кислорода в качестве окислителя для двигателей космических ракет.
Жидкий водород используется как топливо в космических ракетах. Например, для заправки американской ракеты «Сатурн – 5» требуется 90т жидкого водорода.
Жидкий аммиак нашёл широкое применение в холодильниках – огромных складах, где хранятся скоропортящиеся продукты. Охлаждение, возникающее при испарении сжиженных газов, используют в рефрижераторах при перевозке скоропортящихся продуктов.
Газы, применяемые в промышленности, медицине и т. п., легче перевозить, когда они находятся в сжиженном состоянии, так как при этом в том же объёме заключается большее количество вещества.
Майкл Фараде́й — 22 сентября 1791—25 августа1867
Открыл электромагнитную индукцию, лежащую в основе современного промышленного производства электричества и многих его применений. Создал первую модель электродвигателя . Среди других его открытий— первый трансформатор , химическое действие тока, законы электролиза , действие магнитного поля на свет . Первым предсказал электромагнитные волны. Фарадей ввёл в научный обиход термины ион, катод , анод , электролит , диэлектрик, диамагнетизм, парамагнетизм др.
Фарадей — основоположник учения об электромагнитном поле, которое затем математически оформил и развил Максвелл .
В то время, Фарадей был только скромным лаборантом у Гемфри Дэви.
Гемфри Дэви — английский химик, физик и геолог, один из основателей электрохимии . Известен открытием многих химических элементов, а также покровительством Фарадею на начальном этапе его научной деятельности.
По его поручению он изучал хлоргидрат, кристаллическое соединение, образующееся при взаимодействии при низких температурах воды и хлора. Чтобы проверить, как ведет себя это соединение при нагреве, Фарадей поместил несколько кристаллов гидрата хлора в закрытое колено изогнутой V -образной трубки, после чего другое колено запаял. Далее он нагрел кристаллы, при этом свободное колено оставалось холодным. Кристаллы расплавились и дали зеленовато-желтые пары, пары сконденсировались в холодном колене с образованием маслянистой жидкости, которая оказалась жидким хлором.
1) изогнутая и запаянная трубка
2) вещество или смесь, которые выделяет при нагревании необходимый газ
3) охлаждаемое колено, где собирается сжиженный газ
4) вода или охлаждающая смесь
Фарадей открыл новый метод сжижения газов: не обязательно было получать газы в одном сосуде и закачивать их в другой сосуд, где будет производиться сжижение. Газы удобно переводить в жидкое состояние в том же сосуде, где они образуются. Таким способом на протяжении 1823 года Фарадею удалось перевести в жидкое состояние сероводород, сернистый газ, углекислый газ, закись азота.
Выводы
Любой газ можно превратить в жидкость простым сжатием
Сжижение газов— сложный процесс, который включает в себя множество сжатий
Сжижение может быть произведено сжатием газа и одновременным его охлаждением
Сжиженные газы находят широкое применение
Сжиженные газы применяются не только в технике, медицине и сельском хозяйстве, но и в науке.
Источник
25. Методы получения низких температур и сжижения газов
В технике применяют 3 основных метода для получения низких температур: 1) испарение жидкостей; 2) эффект Джоуля-Томсона; 3) адиабатическое расширение газа. Иногда применяются различные химические охлаждающие смеси.
Газ может быть превращен в жидкое состояние только при температуре ниже критической ТК. Сжижение газов, имеющих достаточно высокую температуру ТК, обычно производят, сжимая газ компрессором, а затем охлаждают его ниже температуры кипения. Таким способом получают углекислоту (ТК = 304 К), хлор (ТК = 417 К), аммиак (ТК = 405 К). Для получения жидкого кислорода (ТК = 154 К), азота (ТК = 126 К), водорода (ТК = 33 К), гелия (ТК = 5 К) используют специальные установки.
П
о принципуиспарения жидкости (фреона или хладона) работает компрессионный холодильник (рис. 70). Когда включается компрессор К, в трубках морозильной камеры давление быстро падает. Это заставляет фреон интенсивно испаряться (кипеть при пониженном давлении). Необходимая для испарения энергия берётся из окружающей среды – морозильной камеры, которая охлаждается. После компрессора сжатый горячий фреон поступает в конденсатор, где он охлаждается и конденсируется, переходя в жидкое состояние. Охлажденный фреон поступает по капиллярной трубке в морозильную камеру, и процесс повторяется.
К
омната не может охладиться при открытой двери холодильника, так как тепло, взятое из морозильной камеры, выделяется на задней стенке холодильника. Поэтому надо обеспечить хорошую вентиляцию задней стенки холодильника, иначе мотор-компрессор перегреется и выйдет из строя.
Первые машины для технического сжижения воздуха предложили независимо друг от друга в 1895 г. Хемпсон (Англия) и Линде (Германия) на эффекте Джоуля-Томсона.
Упрощенная схема машины Линде показана на рис. 71. Во всех машинах для сжижения газов используется метод противоточного теплообмена. Давление при дросселировании падает с 200 до 1 атм с понижением температуры на 50 С. Охлажденный воздух отводится к компрессору, по пути охлаждая новую порцию воздуха, идущего к дросселю. Через несколько циклов часть воздуха начинает конденсироваться.
П
риадиабатическом расширении идеальные и реальные газы охлаждаются. Причиной охлаждения является то, что все молекулы, сталкивающиеся с движущимся поршнем, передают ему часть своей кинетической энергии и отражаются от него с меньшей, чем до удара, скоростью (рис. 72). Это приводит к уменьшению средней скорости молекул, а следовательно, и к уменьшению температуры. Устройство, в котором газ охлаждается, совершая внешнюю работу при адиабатическом расширении, называется детандером. Французскому инженеру Клоду удалось в 1902 г. с помощью такого метода получить жидкий воздух. Схема его установки аналогична машине Линде, но вместо дросселя использовался детандер – цилиндр с поршнем. Давление после компрессора составляло 40 атм, а после расширения – около 1 атм. Более совершенным является турбодетандер П.Л. Капицы, в котором поршень заменен турбиной: газ, сжатый всего до 5–7 атм, вращает турбину и, совершая работу, сильно охлаждается, расширяясь до давления 1,3 атм.
При прочих равных условиях эффект адиабатического охлаждения сильнее, чем при дросселировании. В промышленных установках для повышения эффективности комбинируют различные методы, разделяют газовые потоки, используют предварительное охлаждение.
Для получения сверхнизких температур (0,001 К) применяют метод магнитного охлаждения (адиабатического размагничивания). При этом используются парамагнитные соли (хромокалиевые или железоаммониевые квасцы), которые предварительно охлаждают до 0,7 К кипящим при пониженном давлении гелием. Затем соль намагничивают. Молекулы парамагнетика ориентируются в магнитном поле, возникает упорядоченность и энтропия уменьшается. Затем устраняют тепловой контакт гелия и парамагнетика (создавая условие адиабатичности) и выключают магнитное поле. Ионы ориентируются беспорядочно, что дает увеличение энтропии ионов. Но так как в адиабатическом процессе общая энтропия не должна изменяться, то должна уменьшиться энтропия, связанная с тепловыми колебаниями кристаллической решетки. Это приводит к уменьшению температуры.
Сжиженные газы быстро испаряются. Для их сохранения применяются сосуды Дьюара (термосы). Это стеклянные или металлические сосуды с двойными (зеркальными) стенками, из промежутка между которыми выкачан воздух. Они обеспечивают почти адиабатическую оболочку.
ТРИЗ-задание 38. Детандеры
Поршневые детандеры – машины периодического действия, в которых потенциальная энергия сжатого газа преобразуется во внешнюю работу при расширении отдельных порций газа, перемещающих поршень. Турбодетандеры – лопаточные машины непрерывного действия. Какие два изобретательских приёма позволяют перейти от поршневого детандера к идее турбодетандера?
ТРИЗ-задание 39. Детандер-генератор
И
зучите в ТРИЗ раздел овещественно-полевых ресурсах (ВПР). Затем в сети Интернет найдите информацию о детандере—генераторе и ответьте на вопрос: какие виды ресурсов он использует?
Источник
