Использование газовых законов

Использование газовых законов

Газы обладают рядом свойств, которые делают их незаменимыми в очень большом числе технических устройств.

Газ — амортизатор. Большая сжимаемость и легкость газа, возможность регулировки давления делают его одним из самых совершенных амортизаторов, применяемых в ряде устройств.

Вот как работает автомобильная или велосипедная шина. Когда колесо наезжает на бугорок, то воздух в шнне сжимается и толчок, получаемый осью колеса, значительно смягчается (рис. 35). Если бы шина была жесткой, то ось подпрыгнула бы вверх на высоту бугорка.

Газ — рабочее тело двигателей. Большая сжимаемость и сильно выраженная зависимость давления и объема от температуры делают газ незаменимым рабочим телом в двигателях, работающих на сжатом газе, и в тепловых двигателях.

В двигателях, работающих на сжатом газе, например воздухе, газ при расширении совершает работу почти при постоянном давлении. Сжатый воздух, оказывая давление на поршень, открывает двери в автобусах и электропоездах. Сжатым воздухом приводят в движение поршни воздушных тормозов железнодорожных вагонов и грузовиков. Пневматический молоток и другие пневматические инструменты приводятся в движение сжатым воздухом. Даже на космических кораблях имеются небольшие реактивные двигатели, работающие на сжатом газе — гелии. Они ориентируют корабль нужным образом.

В двигателях внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, самолетах и в реактивных двигателях в качестве рабочего тела, приводящего поршень, турбину или ракету в движение, используют газы высокой температуры. При сгорании горючей смеси в цилиндре температура резко увеличивается до тысяч градусов, давление на поршень растет и газ, расширяясь, совершает работу на длине рабочего хода поршня (рис. 36).

Только газ можно использовать в качестве рабочего тела в тепловых двигателях. Нагревание жидкого или твердого тела до такой же температуры, как и газа, вызвало бы лишь незначительное перемещение поршня.

Любое огнестрельное оружие, в сущности, является тепловой машиной. Сила давления газов — продуктов сгорания взрывчатых веществ — выталкивает пулю из канала ствола или снаряд из дула орудия. И существенно, что эта сила совершает работу на всей длине канала. Поэтому скорости пули и снаряда оказываются огромными — сотни метров в секунду.

Разреженные газы. Способность к неограниченному расширению приводит к тому, что получение газов при очень малых давлениях — в состоянии вакуума — является сложной технической задачей. (В состоянии вакуума молекулы газа практически не сталкиваются друг с другом, а только со стенками сосуда)

Обычные поршневые насосы из-за просачивания газов между поршнем и стенками цилиндра становятся неэффективными. Получить с их помощью давления ниже десятых долей миллиметра ртутного столба не удается. Приходится применять для откачки газов сложные устройства. В настоящее время достигнуты давления порядка Па мм рт. ст.).

Вакуум нужен главным образом в электронных лампах и других электронных приборах. Столкновения электрически

заряженных частиц (электронов) с молекулами газа препятствуют нормальной работе этих приборов. Иногда приходится создавать вакуум в очень больших объемах, например в ускорителях элементарных частиц.

Вакуум нужен также для выплавки свободных от примесей металлов, создания термоизоляции и т. д.

1. Что называют уравнением состояния? 2. Сформулируйте уравнение состояния для произвольной массы идеального газа. 3. Чему равна универсальная газовая постоянная? 4. Как связаны давление и объем газа при изотермическом процессе? 5. Как связаны объем и температура при изобарном процессе? 6. Как связаны давление и температура при изохорном процессе? 7. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы? 8. Почему в качестве рабочего тела в тепловых двигателях используют только газы?

lib.alnam.ru

Газовые законы в живой природе и медицине

Л.В.Логинов, многопрофильный комплекс (гимназия-лицей) N 109, г. Москва

Наверное, у каждого учителя есть желание объяснить материал по-своему или рассмотреть его с позиций, отличных от традиционных. Тем более что начавшееся профилирование обучения вынуждает это делать. Возьмем, к примеру, тему, которую проходят в школе и в 8-м, и в 10-м классах, – «Газы». Свойства газов упоминаются (или изучаются) уже в курсе природоведения в 5-м классе (!). Позже ребят знакомят с использованием сжатого воздуха, с приборами для измерения атмосферного давления, учат решать задачи на изменение давления воздуха при изменении других параметров, как правило, в автомобильной шине, шаре, резиновой лодке. Налицо определенный технический уклон, хотя изредка встречаются и другие задачи, например, как отпить воды из бутылки при плотно прижатых к горлышку губах, так что воздух в бутылку не пропускается, или, как пауку серебрянке построить воздушный домик в воде. Тот факт, что газовые законы активно работают в живой природе, широко применяются в медицине, как правило, не акцентируется, ни слова не говорится о том, зачем паук серебрянка строит себе тот самый воздушный домик, как он может сидеть в таком домике до получаса, а в состоянии анабиоза (спячки) – и дольше. Ведь при дыхании кислород-то непрерывно расходуется! Вдох и выдох, газообмен в легких у животных и у человека происходят тоже в соответствии с газовыми законами. Так что эта тема не только очень живая, но и актуальная. И остановиться на ней стоит.

Начнем с того, что закон Бойля–Мариотта начинает «работать на человека» (как, впрочем, и на любое млекопитающее) с момента его рождения, с первого самостоятельного вздоха. При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (р0V0 = р1V1), и вследствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох. Другими словами, воздух идет из окружающей среды в легкие самотеком до тех пор, пока величины давления в легких и в окружающей среде не выравняются.

Выдох происходит аналогично: вследствие уменьшения объема легких давление воздуха в них становится больше, чем внешнее атмосферное, и за счет обратного перепада давлений он выходит наружу. Схематическое изображение процесса дыхания дано на рис. 1.

Важную роль в этом процессе играет плевральная полость, в которой при дыхании возникают разрежения. Если хирургическим путем открыть наружному воздуху (под нормальным атмосферным давлением) доступ в плевральное пространство, то атмосферное давление сожмет легкое, выключив его из процесса дыхания. Именно так делают при лечении легочного туберкулеза (метод пневмоторакса).

Теперь рассмотрим процесс «переработки» воздуха, поступившего в легкие. Давление воздуха складывается из парциальных давлений входящих в него газов (по закону Дальтона: рсмеси= р1+ р2+ р3+. + рn). Как известно, свежий воздух состоит из кислорода (20,94%), углекислого газа (0,03%), азота и инертных газов (79,03%). Состав же выдыхаемого воздуха иной: кислорода — 16,3%, углекислого газа — 4%, азота и инертных газов — 79,7%. Видно, что кислорода становится меньше, а углекислого газа — больше (количество остальных газов почти не меняется). Это означает, что и парциальное давление кислорода уменьшается, а углекислого газа — растет. Стенки легочных пузырьков (альвеол) способны пропускать сквозь себя в кровь и обратно молекулы газов при наличии разности давлений газов в альвеолах и в крови. В результате после вдоха кислород из области с бо’льшим парциальным давлением движется в область с меньшим парциальным давлением, т.е. из альвеол в кровь. Углекислый же газ выводится из крови в альвеолы, после чего «переработанный» воздух выдыхается. Так работают «обычные» или, как их еще называют, биологические легкие.

Но существует еще и понятие физических легких. Это не биологический орган, а физическая система, которая функционирует подобно биологическим легким. Благодаря физическим легким дышит водяной паук серебрянка. Его тело покрыто мелким несмачиваемым пушком. Когда паук погружается в воду, к телу пристают мельчайшие пузырьки воздуха, покрывая его сплошной воздушной оболочкой. В воде эта оболочка блестит, делая паука похожим на шарик ртути. Выставляя из воды кончик брюшка, паук забирает крупный пузырек воздуха и, придерживая его задними ножками, отправляется в глубину.

Среди водных растений он натягивает нити своей паутины, «клетку» для воздушного шарика, который все больше и больше наполняется воздухом по мере совершения пауком очередных «рейсов» на поверхность. Когда воздушный домик становится достаточно просторным, паук переходит к отдыху. Он дышит воздухом своего же домика, хотя принесенного запаса кислорода в нем даже отдыхающему пауку должно было хватить всего на несколько минут. Но возможность отдыхать дает сама природа. Вернее, физические законы.

Дело в том, что в воде вокруг домика-пузырька также имеется воздух. Правда, в растворенном виде. По мере расходования кислорода в пузырьке уменьшается его парциальное давление по сравнению с давлением в воде, и растворенный в воде кислород диффундирует в пузырек. Углекислый же газ, наоборот, диффундирует из домика в воду, где его парциальное давление меньше. Конечно, этот газообмен не позволяет полностью компенсировать затраты кислорода на дыхание, но тем не менее паук получает возможность обновлять атмосферу значительно реже, минут через 30, а то и более. Если паук находится в состоянии анабиоза, то воздуха от одной ходки наверх хватает на очень длительное время.

Таким образом, физические легкие — это «приспособление природы», в котором «дышит» сам пузырек, а не паук. А последний дышит уже своими биологическими легкими, т.е. воздухом, имеющимся в пузырьке.

Перейдем к проблеме измерения рабочего объема легких, т.е. объема воздуха, вдыхаемого (или выдыхаемого) при глубоком вдохе (выдохе). Известно, что он меньше полного объема легких. Следовательно, при каждом вдохе-выдохе в легких обновляется не весь воздух. По рабочему объему легких (вернее, по отношению рабочего объема к полному) можно сделать вывод о состоянии дыхательной системы человека. Различные заболевания (например астма), курение, а также малоподвижный образ жизни приводят к уменьшению рабочего объема.

Для начала необходимо знать полный объем легких. Это задача не из простых, т.к. экспериментальным путем на живом человеке этого делать не стоит. Да и как? Реально просматривается только один способ: произвести вскрытие, извлечь легкие, наполнить водой «под завязку», после чего эту воду вылить в мензурку (или большую мерную кружку). Да и то нет гарантии, что к моменту наполнения водой легкие будут расправленными и смогут вместить воды «по максимуму».

В настоящее время полный объем легких обычно определяют расчетным путем, по формуле Дюбуа, которая устанавливает зависимость площади поверхности тела человека от его массы и роста:

S = 0,167• ,

где с – экспериментальная константа.

Термическое уравнение – уравнение Менделеева-Клапейрона.

Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и абсолютной температурой газов, было получено французским физиком Б. Клапейроном (1799-1864). В форме:

его впервые применил великий русский ученый Д.И. Менделеев, поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Менделеева-Клапейрона.

Уравнение Менделеева можно записать через другие термодинамические параметры:

1Так как , то .

2Если учесть, что , то .

3По определению плотности , следовательно .

4По определению концентрации , тогда , , тогда:

основное уравнение МКТ,

где – постоянная Больцмана, которая связывает энергию и температуру.

Уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо только для идеальных газов.

Уравнение Менделеева-Клапейрона для неизменной массы газа запишется в виде:

.

Точное значение постоянной в правой части этого уравнения зависит от количества газа. Если количество газа равно одному молю, то соответствующая постоянная обозначается буквой R и называется универсальной газовой постоянной:

.

Это уравнение называют уравнением состояния идеального газа. Оно было получено в 1834 г. французским физиком и инженером Б. Клапейроном. Универсальную газовую постоянную еще называют газовой постоянной:

.

Для любой, но постоянной, массы газы из уравнения Менделеева-Клапейрона получаем обобщенный газовый закон: отношение произведения давления газа на объем к его температуре есть величина постоянная для неизменной массы газа:

.

Изотермический процесс–процесс изменения состояния газа при постоянной температуре: Τ = const. Для его осуществления надо сосуд с поршнем, наполненный газом, привести в контакт с термостатом, т.е. телом настолько большой массы, что она обеспечивает постоянство температуры газа, даже когда отдает газу или получает от него некоторое количество теплоты.

Из обобщенного газового закона

при постоянной температуре получается зависимость

или .

которая описывает закон Бойля-Мариотта: при постоянной температуре, неизменной массе и неизменном химическом составе газа произведение давления на объем есть величина постоянная.

Графики зависимости между параметрами данной массы при постоянной температуре называются изотермами. На рис. 1.1 изображены изотермы в ко

studopedia.org

Смотрите так же:

  • Образец иска на алименты на ребенка Раздел проданного супругом имущества Продажа одним из супругов общего имущества без согласия другого супруга не препятствует его разделу. При этом для фактического раздела проданных вещей, […]
  • История суда в ссср Эволюция судебной системы в СССР накануне и во время войны. Статьи по предмету Правоохранительные органы Российской Федерации ЭВОЛЮЦИЯ СУДЕБНОЙ СИСТЕМЫ В СССР НАКАНУНЕ И ВО ВРЕМЯ […]
  • Образец справки в пенсионный фонд для пенсии Достойная старость в России: какую пенсию для россиян, стаж которых более 35 лет, подготовило государство? Чтобы получить право на выплату пенсии в России необходимо иметь 15 лет стажа. […]
  • Заявление о выдачи копии постановления суда Заявление о выдачи копии постановления суда 10 июля 2011 Статьей 35 ГПК установлено, какими правами обладают участники дела, в их числе — право знакомиться и снимать копии с материалов […]
  • Какие условия для получения субсидии молодой семье Сбербанк: ипотека «Молодая семья» В «Сбербанке России» действует специальное предложение (акция) для молодых семей, в которых хотя бы один из супругов (или единственный родитель в неполной […]
  • Полномочия и структура верховного суда рф Состав и структура Верховного Суда РФ 1. Верховный Суд РФ состоит из Председателя Верховного Суда, его заместителей, членов суда и народных заседателей. Судьи Верховного Суда РФ […]