Гази у зовнішньому силовому полі та основи термодинаміки
Методическое пособие - Физика
Другие методички по предмету Физика
План
лекції з навчальної дисципліни
Ф І З И К А
Тема: "ГАЗИ У ЗОВНІШНЬОМУ СИЛОВОМУ ПОЛІ"
Вступ
Основні закони ідеального газу, одержані експериментально, успішно пояснюються, при певних умовах, молекулярно-кінетичною теорією газів. Причому розподіл молекул по швидкостям характеризуються функцією Максвелла.
Атмосфера Землі, при певних умовах, може розглядатись як ідеальний газ, який знаходиться в полі тяжіння Землі і це, безперервно, впливає на поводження атомів і молекул газової оболонки Землі. Важливо знати цей вплив і будову атмосфери, оскільки в верхніх шарах існують шари з великою концентрацією зарядів, які впливають на розповсюдження радіохвиль навколо Землі. Отже ці питання мають велике практичне значення для радіозвязку. Рух молекул в газі залежить також і від тиску. При певних умовах виникає вакуум, з певними особливостями, які використовуються на практиці. Ці, та питання термодинаміки важливо вияснити на занятті для загального розвитку слухачів.
Ідеальний газ в зовнішньому силовому полі. Розподіл Больцмана. Барометрична формула
Функція розподілу молекул під дією поля зовнішніх сил (в залежності від їх потенціальної енергії) знайшов Больцман. Різниця тисків на рівнях, які відрізняються на високу Dh, дорівнює:
.
Перейшовши до нескінченно малих, маємо:
.
З другого боку, згідно основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії газу, p =nkT, звідки знаходимо:
.
Отже,
або
.
Потенціюємо і одержуємо:
.
В загальному випадку розподіл молекул по енергіям в потенціальному полі буде таким:
Це і є закон Больцмана, який показує, що при даній температурі Т концентрація частинок n зростає їх зменшенням енергії W, тобто що частинки концентруються в місцях з меншою потенціальною енергією - тобто в місцях стійкої рівноваги. Але із збільшенням Т при сталій енергії W різниця концентрації п і по згладжується. Таким чином сили поля намагаються вдержати частинки по всьому обєму. При T 0 молекули атмосфери упали б на Землю. Існування атмосфери можливе завдяки тепловому рухові молекул. Так як p =nkT, а і вважаючи T = const із закону Больцмана маємо:
або
це барометрична формула, з якої витікає, що тиск атмосфери із збільшенням висоти зменшується по експоненціальному закону (рис. 1).
Рис. 1
Закон Больцмана характеризує розподіл частинок в будь-якому силовому полі і використовується для електронів в електричному полі в металах, напівпровідниках і т.д.
Будова атмосфери, іоносфери та навколоземного космічного простору
Атмосфера Землі - газове, повітряне середовище навколо Землі, яке обертається разом з Землею як єдине ціле; її маса . Склад атмосфери біля поверхні Землі 78,1% азоту, 21% кисню, 0,9% аргону, в незначних долях процента присутні вуглекислий газ, водень, гелій, неон і інші гази. Процентне співвідношення основних газів атмосфери мало змінюється до висоти біля 100 км (в гомосфері). На висоті 20-25 км розміщений шар озона, який захищає живі організми на Землі від шкідливого короткохвильового випромінювання.
В нижчих 20 км шарах в атмосфері знаходиться ще водяна пара, кількість якої з висотою швидко зменшується; а також тверді та рідкі аерозольні частинки (пил, дим, продукти конденсації водяної пари). Вище 100 км (гетеросфері) склад повітря починає змінюватися з висотою: зростає доля легких газів і на дуже великих висотах переважаючим стають гелій та водень; частина молекул розпадається на атоми та іони утворюючи іоносферу.
Тиск та густина повітря в атмосфері з висотою зменшується. Температура змінюється з висотою більш складніше, і в залежності від її розподілення атмосфери підрозділяють на тропосферу, стратосферу, мезосферу, екзосферу. В атмосфері розсіюється і поглинається сонячна та земна радіація; в свою чергу атмосфера сама є джерелом інфрачервоного випромінювання. Між поверхнею Землі та атмосферою відбувається обмін теплом і вологістю, відтворюючи постійний кругообіг води з утворенням хмар і випаданням опадів.
Атмосфера має електричне поле, в ній виникає різна електрика оптичні та акустичні явища. Повітря атмосфери знаходиться в безперервному русі. Нерівномірне нагрівання атмосфери визиває її загальну циркуляцію, яка впливає на погоду та клімат Землі.
Верхня атмосфера від 60 км і вище до 2000 км, характеризується наявністю рядом з нейтральними частинками (молекули та атоми) газу також вільних електронів, позитивних і негативних іонів, які утворюються при іонізації газів. Іонізація відбувається під дією електромагнітного випромінювання Сонця і потоку заряджених частинок (сонячного вітру), які визивають фото -, та ударну іонізацію космічних променів, випромінювання зірок та метеорів.
В цілому іоносфера являється квазінтральною, знаходиться в плазмовому стані.
Стан і будова іоносфери характеризується концентрацією або густиною вільних електронів. Величина електронної концентрації залежить від інтенсивності іонізації, яка змінюється з висотою, маючи деякий максимум, а іноді і декілька максимумів. Максимуми електронної концентрації інколи ототожнюють з положенням окремих обла