Фізика в живій природі

Поверхневий натяг та клопи-водомірки

   або ті, що бігають по воді   

  

Яка техніка, який стиль...

   

Страшний клюв з’явився вмить, мов би нізвідки, вмить пробив тіло невинної жертви. Дві труби просунулись їй під тонку шкіру: по одній з них потік у напрямку жертви смертоносний яд, котрий вмить розчиняє всі її нутрощі, а по другій розкисла рідина всмоктується в ненаситне нутро хижака.

Ця, здавалось би, фантастична картина взята із реального життя. Такі сцени можна спостерігати сотні разів щоденно у реальному житті. Саме так полюють клопи-водомірки. Найцікавішим є факт не самого полювання (кожна жива істота повинна харчуватися), а де відбувається це дійство.

Хижі клопи-водомірки бігають по … поверхні водойми, звичайного озера або невеликої калюжі, а їжею для них є не лише необережні комахи, котрі невдало приземлились на поверхню водойми, але і жителі підводного світу, котрі невчасно підплили до поверхні розділу середовищ.

Вологість повітря (Д.З.)

Вологість повітря

Якісні задачі

Якісні задачі опрацювати на середу 27.04.2016 р.

Рідини

Рідини - агрегатний стан речовини

Повторюємо вивчене раніше

1°. Спільне та відмінне між рідинами та тв. тілами і газами

 

   У твердому агрегатному стані речовини молекули (атоми) розміщуються, як відомо, впритул одна до одної. Через  значні  міжатомні (міжмолекулярні)  взаємодії атоми (молекули) в твердих тілах здійснюють лише коливальний рух відносно положень рівноваги (у кристалах відносно вузлів кристалічних ґраток). Тому потенціальна енергія взаємодії молекул значно більша від їх кінетичної енергії. 

Ближній порядок рідини (1-вода) та дальній порядок тв.тіла (2-лід)

У рідинах сили взаємодії між молекулами слабкіші, ніж у твердих тілах і значно сильніші, ніж у газах. Молекула рідини, коливаючись біля певного положення рівноваги, змінює з часом це положення, перескакуючи до інших молекул. Молекули рідини здійснюють коливальний, поступальний і обертальний рухи. У рідинах відстані між молекулами співмірні з їх ефективним діаметром, тому сили взаємодії молекул є значними. У цілому кінетична енергія молекул рідин приблизно дорівнює їх потенціальній енергії. Кожна  молекула в рідині, як і в твердому тілі, «затиснута» зі всіх боків сусідніми молекулами і здійснює теплові коливання навколо положення рівноваги. Однак, час від часу  молекула може перескочити в сусіднє вакантне місце. Такі переміщення  в  рідині відбуваються доволі часто; тому рідина зберігає свій об’єм, але не зберігає форми (легко набуває форми , яку має посудина).Це пояснює текучість рідини. Молекули рідини  можуть утворювати локальні (нестійкі) впорядковані групи, які складаються з декількох молекул. Це явище називають ближнім порядком .

Туман

 Звідки береться туман?
Варто знати...

Кожен неодноразово мав можливість спостерігати атмосферне явище – туман. Більшість людей знають, що туман – це краплинки води (у вигляді рідини) котрі висять в повітрі, безпосередньо над земною поверхнею. 

Звідки береться рідина в газоподібній атмосфері Землі?

Як відомо, наша атмосфера складається, в основному,  з азоту та  кисню. Проте у ній також присутні інші гази: озон, вуглекислий газ, інертні гази, а також водяна пара. Зауважу, що речовина Н₂О перебуває у газоподібному стані, і ми її бачити не можемо.

Проте внаслідок охолодження повітря, водяна пара досягає стану насичення, а при подальшому пониженні температури, вона конденсується на невеликих піщинках, неоднорідностях та домішках (пил, сажа тощо), котрі завжди присутні в атмосфері. Кількість таких домішок зростає на території міст та в місцях, де зосередженні промислові заводи,  що свідчить про забруднення повітря на даних територіях.

Рівняння Ван-дер-Ваальса

Рівняння стану реального газу

Ван-дер-Ваальс та його газ

   Закони ідеальних газів, виведені на основі МКТ, добре описують реальні гази при малих тисках і не занадто низьких температурах. При підвищенні  тиску чи зниженні температури поведінка реальних газів кількісно та якісно відрізняється від поведінки газів ідеальних.

Вирішення даної проблеми запропонував у 1873 році голландський фізик Ван-дер-Ваальс (1837-1923), який ввів рівняння стану, яке назване його іменем.

Газ Ван-дер-Ваальса – це така модель реального газу, в якій молекули розглядаються як тверді кульки певного об’єму (діаметром d),  між якими діють сили взаємного притягання. Наявність власного розміру кульок зумовлює те, що в даній моделі враховано і сили відштовхування між молекулами реального газу.


               [p + (m/μ)²∙a/V²][V - (m/μ)∙b] = RT

Останнє рівняння носить назву рівняння Ван-дер-Ваальса, яке для одного моля газу набуває вигляду:

Рівняння стану реального газу відрізняється від рівняння Клапейрона-Менделєєва введенням двох поправок.

Вологість повітря

Вологість повітря та способи її вимірювання

Водяна пара - паливо для циклонів

    На Землі безупинно відбувається кругообіг води. Вона випаровується з поверхні світових океанів, вологих грунтів, листків рослин, легенів і шкіри тварин та людини, а вітри розносять її по всій планеті. Наявність водяної пари в атмосфері Землі зумовлює вологість повітря.

Вологість повітря постійно впливає на самопочуття людини. Для нормальної життєдіяльності за добу з поверхні шкіри і легенів людини випаровується в середньому від 800 до 2000 г води. У жаркому вологому повітрі процес випаровування води з поверхні шкіри людини послаблюється, водночас порушується і нормальний тепловий обмін в організмі. Тому за великої вологості та високої температури в людиниз’являється кволість, зменшується її працездатність.

Вологість, тобто ступінь насичення повітря водяною парою, характеризують наступними величинами. 

1. Абсолютна вологість

Абсолютна вологість – це кількість водяної (в кілограмах)пари, яка міститься в 1 м³ повітря, тобто її густина.

За низьких температур, коли пара далека від насичення, її можна вважати ідеальним газом і застосовувати рівняння Клапейрона – Менделєєва. У такому разі до уваги беруть парціальний тиск (пружність) водяної пари в повітрі й абсолютну вологість визначають через парціальний тиск Р. Абсолютна вологість не визначає ступінь вологості повітря.

2. Відносна вологість

Відносна вологість повітря φ – це відношення абсолютної вологості до тої маси або парціального тиску водяної пари Рmax, яка насичує повітря за такої ж температури. Як правило, відносну вологість виражають у відсотках.

φ = (Р/Рmax)∙100% = (ρ/ρmax)∙100%

де Р, ρ – пружність пари або абсолютна вологість.

Насичена пара

Поняття насиченої пари 

Водяна пара

   В рідині молекули знаходяться в неперервному хаотичному тепловому (броунівському) русі. Якщо молекула випадково з'являється біля поверхні рідини і матиме швидкість, достатню для подолання притягання з боку інших молекул, вона зможе вийти в простір над рідиною.  Молекули, котрі задовольняють даним умовам, існують у вибраному об’ємі завжди, що доводиться роподілом Максвелла по швидкостях.

Швидкість випаровування (кількість молекул, що вилітає з 1 м² вільної поверхні рідини за 1 с визначається:

1) видом рідини;

2) температурою;

3) тиском пари над рідиною.

Сукупність молекул, що знаходяться в просторі над рідиною, називають парою, а процес переходу рідини в стан пари - пароутворенням.

Пароутворення з вільної поверхні рідини називають випаровуванням.

Молекули пари, рухаючись хаотично, можуть набути швидкості, напрямленої, наприклад, в бік рідини, і до неї повернутись. Процес переходу молекул пари в рідину називають конденсацією.

Холодильна машина

Поняття про принцип дії 
холодильної машини

Якщо машину, яка працює за циклом Карно, змусити за допомогою іншої машини або мотора виконувати обернений цикл у напрямі 1-4-3-2-1, то в такому разі зовнішні сили виконуватимуть роботу над системою, у результаті чого система перетворюватиме частину цієї  роботи в теплоту.

Теплові двигуни

Поняття про роботу двигунів внутрішнього згорання

Двигун внутрішнього згорання та його 4 такти

Домашнє завдання:

1. Опрацювати та вивчити параграф 77 з підручника "ФІЗИКА 10 клас"

2. Ознайомитись з матеріалом з інтернету.

Друге начало термодинаміки

Друге начало термодинаміки  та теплова смерть Всесвіт

Відомий англійський письменник Чарльз Сноу вважав, що критерієм інтелігентності сучасної людини з гуманітарною освітою служить ступінь обізнаності з другим законом термодинаміки.

Другий закон термодинаміки, як і перший, є узагальненням  багатовікового досвіду людей. Існує близько тринадцяти (!!!) рівноцінних формулювань даного закону.

1. Неможливим є коловий процес, єдиним наслідком якого було б перетворення кількості теплоти, одержаної від нагрівника, в еквівалентну їй  роботу (Томсон-Кельвін).

2. Неможливим є коловий процес, єдиним результатом якого було б передавання енергії у формі теплоти від холодного тіла до гарячого (Клаузіус).

3. Вічний двигун другого роду неможливий (Освальд).

4. Теорема Карно:

Термічний ККД оборотнього циклу Карно не залежить від властивостей робочого тіла і виражається формулою

η_к = (T_н – Т_х)/Т_н

Термічний ККД необоротного циклу Карно завжди менший термічного ККД оборотнього циклу Карно, який здійснюється між тими ж температурами T_н  та Т_х:

η_{к необор} < η_{к  обор}

Термічний ККД довільного оборотнього циклу не перевищує термічного ККД оборотнього циклу Карно:

η_обор ≤ η_{к  обор} = (T_н – Т_х)/Т_н

5. У замкненій (ізольованій) системі ентропія зростає або є сталою:

ΔS ≥ 0,

 TdS ≥ dU + pdV

Цикл Карно

Тепловий двигун. Ідеальна теплова машина 

Блок-схема теплового двигуна

Тепловий двигун – це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну. 

Енергія, яка виділяється під час згорання палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширяючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і приводить у рух механізм.

Для того щоб двигун працював циклічно, газ стискається, віддаючи теплоту холодильнику (навколишньому середовищу). Робоче тіло двигуна дістає кількість теплоти ΔQн   від нагрівника, виконує роботу А над зовнішніми тілами і передає кількість теплоти ΔQх   холодильнику. Оскільки система після закінчення циклу повертається до початкового стану, зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю (ΔU = 0) і за першим законом термодинаміки 

ΔА = ΔQн–ΔQх, 

де ΔА - механічна робота, яку виконує газ, ΔQн  - кількість теплоти, одержаної від нагрівника,  ΔQх -  кількість теплоти, переданої холодильнику.

Величина η:

 η = (ΔQн–ΔQх)/ΔQн = ΔА/ΔQн

називається коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплової машини.

Цикл Карно

Французький інженер С. Карно з’ясував умови роботи ідеальної теплової машини. З усіх теплових машин, які працюють з нагрівником, що має температуру Тн, і холодильником, що має температуру Тх , найбільший коефіцієнт корисної дії має теплова машина, що працює за циклом Карно, який складається з двох ізотерм і двох адіабат. 

Швидкість звукової хвилі

Адіабатична звукова хвиля 

***

Припустимо, що внаслідок короткочасної дії  на кінець стержня (наприклад, удар молотка) в ньому виникає хвильовий імпульс, який поширюється по всьому стержню. Сила, яка подіяла на стержень, за час dt змістила частинки масою  

dm = Sv∙dρ∙dt,  

та надавши їй імпульс  

v∙dm = Sv²∙dρ∙dt.

Значення сили, яка здійснила ці зміни знайдемо з другого закону Ньютона

F = v∙dm/dt = Sv²∙dρ

З іншого боку значення цієї ж сили знайдемо через зміну тиску dp:

F = S∙dp

Прирівнюючи ліві сторони обох рівнянь та скорочуючи площу поперечного перерізу стержня отримуємо загальну формулу для визначення швидкості поширення звукової хвилі через  невеликі зміни густини та тиску:

 v = (dp/dρ)^1/2

Скористаємось цією формулою, та визначимо швидкість поширення акустичної хвилі у газах

Перше начало термодинаміки

Перше начало термодинаміки  в таблиці

Характеристики термодинамічних процесів в газах

***

 ***

Назва термодинамічного процесу

	Ізохоричний  процес	Ізобаричний процес	Ізотермічний процес	Адіабатичний процес
Умова  протікання процесу	V = const	P = const	T = const	ΔQ = 0
Зв'язок  між параметрами стану	p/T = const	V/T = const	pV = const	pVγ = const    pTγ/(1-γ) = const    VT1/(1-γ) = const
Робота в даному термодинамічному процесі	ΔA = 0	ΔA = pΔV A=p(V2 – V1)	ΔA = νRT∙ln(V2/V1)	ΔA = -ΔU  A = cv∙(T1 – T2)  A = νRT1/(γ-1)∙ [1-(V1/V2)(γ-1)]
Кількість теплоти, отримана в ході процесу	ΔQ = cv∙ΔT  ΔQ = cv(T2 – T1)	ΔQ = cp∙ΔT  ΔQ = cp(T2 – T1)	ΔQ = ΔA	ΔQ = 0
Зміна  внутрішньої енергії	ΔU = ΔQ	ΔU= cv∙ΔT	ΔU= 0	ΔU = - ΔA = =cv∙ΔT
Теплоємність	Cv = νR/(γ-1)	Cp= νγR/(γ-1)	CT = +/-∞	Cад = 0