Файл: Расчетнографические задания по общей физике. 1.doc

7.9. Давление в цилиндре паровой машины объемом 20 л, после открывания клапана, уменьшилось на 8.1 атм. Какова масса пара, выпущенного из цилиндра? Температуру пара считать равным 100 градусов. Построить график процесса.

7.10. Найти объем смеси, состоящей из азота массой 2.8 кг и кислорода массой 3.2 кг и имеющей температуру 290 К и давление 4 атм. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

7.11. Предельно допустимая концентрация (ПДК) аммиака (NH₃) в воздухе равна 10 мг/м³. Определить парциальное давление и массу аммиака в помещении объемом 100 м³ при температуре 30^о, если его концентрация соответствует ПДК. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8. Распределение Максвелла-Больцмана
В те далекие времена, когда небо было синее и трава зеленее, студенты использовали логарифмические линейки и металлические арифмометры «Феликс», большую роль играли различные численные таблицы. Например, в известном задачнике по физике Волькенштейн В.С. были приведены таблицы, в том числе таблица плотности распределения молекул идеального газа по скоростям и таблица относительной доли молекул, скорости которых превышают заданное значение скорости. В настоящее время человека окружают со всех сторон различные электронные вычислительные устройства, поэтому роль численных таблиц значительно уменьшилась. Очень важно научиться правильно применять вычислительные устройства в повседневной жизни, в том числе и при решении задач.
Пример 8.1. Найти, при какой температуре средняя кинетическая энергия атомов гелия равна 1 эВ. Определить, какая доля атомов гелия имеет кинетическую энергию, отличающуюся от средней на 25 %. (1 эВ = 1.6×10^-19 Дж)
Дано:



м/с

эВ



\

---

Математическая модель (см.[1]).
Плотность распределения молекул по скоростям задается выражением

, (8.1)

где Дж/К – постоянная Больцмана, - масса молекулы. Более удобно работать с безразмерной скоростью , где, - наиболее вероятная скорость, Дж/мольК, - молярная масса газа. Тогда распределение Максвелла принимает простой вид
(8.2)
Решение

Кинетическая энергия молекулы состоит из поступательной и вращательной энергий, суммарное значение которых равно 1 эВ. Атом гелия имеет 3 степени свободы. По закону равнораспределения на одну степень свободы молекулы приходится средняя энергия

(8.3)

Поэтому для атомов гелия мы имеем

(8.4)

тогда температура, при которой энергия атомов гелия равна 1 эВ будет определяться из следующей цепочки



Относительная доля молекул идеального газа, чьи скорости лежат в диапазоне от до из распределения молекул идеального газа по скоростям (распределение Максвелла), заданного (8.1).

Для того, чтобы найти долю частиц, у которых скорости находятся в диапазоне от до , необходимо вычислить интеграл

---

(8.5)
Вычислим скорости

(8.6)
(8.7)

Итак, скорости равны , . Для вычисления интеграла (8.5) используем простейшую квадратурную формулу прямоугольников

(8.8)

реализованную в виде псевдокода

begin\\

q=1.6e-19;\\

k=1.38e-23;\\

E0=1*q;\\

i=3;\\

T1=2*E0/3/k\\

nu=0.25\\

u1=sqrt(1.3*(1-nu))\\

u2=sqrt(1.3*(1+nu))\\

N=500\\

du=(u2-u1)/N;\\

sums=0\\

for j=1:N\\

u=u1+j*du;\\

sums=sums+u*u*exp(-u*u);\\

end\\

DW=4*du*sums/sqrt(pi)\\

% Распределение молекул газа по скоростям

v1=0\\

v2=4\\

N=100\\

dv=(v2-v1)/N;\\

sums=0\\

for j=1:N\\

u=v1+j*dv;\\

v(j)=u;\\

f(j)=4*u*u*exp(-u*u)/sqrt(pi);\\

sums=sums+f(j);\\

end\\

DW0=dv*sums\\

end\\
Выполняя расчет (8.8), получаем .
Построим график



Рис.8.1.Распределение молекул газа по скоростям
Анализ решения
Оценивая «на глаз» заштрихованную площадь и полученное численное значение вероятности , убеждаемся, что в грубом приближении заштрихованная площадь занимает примерно пятую часть всей площади под кривой плотности распределения , соответственно, численное решение согласуется с графическим представлением. Более точно, площадь области, выделенной на рис.1, равна 0.228.
Ответ: К, %.
***

8.1. Энергию атомных и субатомных частиц часто измеряют в электрон-вольтах, 1 эВ = 1.6×10^-19 Дж. Найти, при какой температуре средняя кинетическая энергия молекулы азота равна 1 эВ. Определить, при какой температуре 25% всех молекул имеют кинетическую энергию, превышающую 1 эВ. Постройте график зависимости

---

(см. пример 8.1), отметьте (заштрихуйте) искомую область.

8.2. Азот массой 12 г находится в закрытом сосуде при температуре 300 К. Какое количество теплоты необходимо передать азоту, чтобы средняя квадратичная скорость молекул возросла в 2 раза? Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8.3. Газ, состоящий из жестких двухатомных молекул, находится при температуре 300 К. Вычислить среднюю квадратичную угловую скорость вращения молекулы, если ее момент инерции равен 2.1 10^-46 кг м². Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8.4. В вакуумном диоде электроны, эмитируемые накаленным катодом, попадают в задерживающее поле анода. До анода доходят лишь достаточно быстрые электроны. Считая, что тепловые скорости эмитируемых (вышедших из катода) электронов распределены по закону Максвелла с температурой 1150 К, определить долю электронов, преодолевающих задерживающий потенциал а) 0.2 В, б) 0.4 В. Катодом является тонкая прямолинейная нить, натянутая по оси цилиндрического анода. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8.5. Найти отношение числа молекул водорода, скорости которых лежат в пределах от 3000 м/с до 3050 м/с, к числу молекул, имеющих скорости в пределах от 1550 м/с до 1600 м/с, если температура водорода 573 К. Постройте график зависимости (см. пример 8.1), отметьте (заштрихуйте) искомые области, сравните их между собой и результатами расчетов.

8.6. Какая часть молекул кислорода обладает скоростями, отличающимися от наивероятнейшей не больше чем на 25 м/с при температурах 273 К и 573 К? Постройте график зависимости (см. пример 8.1), отметьте (заштрихуйте) искомые области, сравните их между собой и результатами расчетов.

8.7. Определить отношение числа молекул водорода, обладающих скоростями в интервале от 2500 м/с до 2600 м/с, к числу молекул, обладающих скоростями от 1500 м/с до 1600 м/с, если температура водорода 273 К. Постройте график зависимости

---

(см. пример 8.1), отметьте (заштрихуйте) искомые области, сравните их между собой и результатами расчетов.

8.8. Найти полное число молекул и их вес в столбе атмосферы с основанием 1 см² , если концентрация молекул у земли n⁰ = 2.6910¹⁹ см^-3 при Т = 273 К,  = 0.029 кг/моль. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8.9. Оценить порядок величины полного числа молекул в атмосфере Земли, считая, что плотность молекул описывается барометрической формулой при постоянной температуре Т=273 К, а радиус Земли равен 6370 км. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8 .10. (См.[3]) Дымовая труба высотой 150 м выпускает дым при температуре К. Определить перепад давления на входе в трубу, обеспечивающий тягу. Температура и давление наружного воздуха К и Па, соответственно. Построить график зависимости перепада давления от температуры газов в трубе при фиксированной температуры и давлении наружного воздуха. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8.11. Для определения числа Авогадро Перрен измерял распределение по высоте шарообразных частиц гуммигута, взвешенных в воде. Он нашел , что отношение количества частиц в слоях, отстоящих друг от друга на расстоянии 30 мм, равно 2.08. Плотность частиц 1194 кг/м³, воды 1000 кг/м³. Радиусы частиц 0.212 мкм. На основании этих данных вычислите число Авогадро. Температура воды 18^о С. Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

8.12. Вычислить наиболее вероятную энергию молекул в идеальном газе и показать, что эта энергия не равна . Привести поясняющий рисунок и указать основные параметры.

9. Явления переноса
Пример 9.1 Теплопроводность. Сколько теплоты протекает через окно с двойной рамой за один час, если окно имеет размеры 0.76х1.12 м? Толщина слоя воздуха между рамами 0.16 м, температура наружнего воздуха –350 С, а внутри дома 200 С.

---