Файл: Fizika - V. F. Dmitriyeva.pdf

зовнішніх сил, тобто коли газ розширюється у вакуум. Ори цьому зовні-
шній тиск дорівнює нулю. Розширення газу у вакуум має супроводитися 
зниженням температури, оскільки між молекулами газу діють молекулярні 
сили; розширюючись, газ виконує роботу з подолання цих сил, внаслідок: 

чого його внутрішня енергія, а отже, і температура зменшуються. Проте в 

деяких випадках цей процес супроводиться не охолодженням, а нагріванням 

газу, який розширюється, 

Це явище описали Дме, Джоуль і У, Томсои, і тому його назвали

 ефектом 

Джоуля - Томсона. 

Дослід Джоуля і Томсона полягав ось у чому, В трубці, що має адіабатну 

оболонку, встановлювали пористу перегородку (рис. 6,2). З одного боку 

перегородки газ був під тиском

 р

р

 з другого - під тиском

 р

2

 >р

{

.

 Внаслідок 

різниці тисків газ повільно адіабатно переходить крізь перегородку з однієї 
частини трубки в іншу. При цьому змінюється температура, яку вимірювали 
термометрами в трубці з обох боків перегородки, Було з'ясовано, що біль-

шість газів при кімнатній температурі в процесі розширення охолоджується 

(АГ <0  К ) , тобто спостерігається

 додатний ефект Джоуля - Томсона

, а 

для водню і гелію температура підвищується (АТ > 0  К ) , тобто спостері-

гається

 від

'

ємний ефект Джоуля - Томсона

. Якщо газ, розширюючись, не 

нагрівається і не охолоджується, то ефект Джоуля - Томсона, дорівнює 
нулю. Такий стан характеризується

 температурою інверсії

 ~

 найбільшим 

значенням температури, при якій може змінитися знак явища

. Вище цієї 

температури ефект завжди від'ємний. Інверсійна температура становить 
200 К для водню, 1063 К для кисню і 2073 К для вуглекислого газу. 

Явище Джоуля - Томсона є наслідком залежності внутрішньої 

енергії реального газу не тільки від температури,

 ш

 й вад об'єму і на* 

явності в молекул реального газу потенціальної енергії взаємодії Для 
ідеальних газів ефект Джоуля - Томсона дорівнює нулю, 

Додатний ефект Джоуля - Томсона використовують при стисканні га-

зів для добування низьких температур, чого можна досягти двома спосо-
бами: І) якщо газ перебуває при температурі, нижчій від інверсійної і ниж-

чій від критичної, то його температура при 

розширенні знижується внаслідок виконан-

ня роботи проти молекулярних сил; 2) тем-
пература газу знижується при адіабатному 

розширенні внаслідок виконання роботи про-
ти зовнішніх, сил. 

Тепер досягнуто температур, близьких до 

0 К (порядку тисячних часток; кельвіна). Низь-
кі температури широко використовують у 
наукових і технічних цілях. 

211 

§ 68. Зрідження газів 

і використання утвореної рідини в техніці 

Зрідження газів 

Перехід газів у рідкий стан називається

 зрідженням газів. 

Довгий час деякі гази, зокрема кисень і азот, не вдавалось перетворити в 

рідини. Вважали, що рідкий кисень і рідкий азот взагалі існувати не мо-
жуть. Причину невдачі зрідження цих газів уперше пояснив Д. І. Менде-

лєєв: газ можна перетворити в рідину, якщо його температура нижча від 

критичної, а тиск вищий від критичного; отже, температуру газів перед 

фідженням треба спочатку знижувати до значення Г

кр

 . 

Гази, які мають досить високу (вище 220 К) критичну температуру, 

звичайно зріджують, стискаючи, а потім охолоджуючи його до темпера-

тури, яка нижча від температури кипіння. У такий спосіб добувають вуг-

лекислоту  ( Г

к р

- 304,25 К), хлор  ( 7 ^ = 417,15 К), аміак (Г

кр

 = 405,55 К) 

гощо. 

Для добування рідкого кисню (т^ =154,45  к ) , азоту (Т^ =126,05  К ) , 

водню (Г

кр

= 33,25 К) і особливо гелію (.7^=5,25 К) використовують 

спеціальні установки -

 детандери. 

Детандер - це пристрій, в якому потрібної для зрідження газів температу-

ри досягають тим, що охолоджуваний газ виконує роботу не тільки проти 

сил молекулярної взаємодії, а й проти зовнішніх сил. Найдосконаліший 

і урбодетандер реактивного типу розробив радянський фізик II. Л. Капіца 

(1938)*. У цьому пристрої спочатку стиснений газ, обертаючи турбіну і 
розширюючись при цьому, виконує роботу проти зовнішніх сил, дуже 
охолоджується і конденсується. Детандери широко застосовують у про-

мисловості. 

Використання отриманої рідини в техніці 

Велике значення для розвитку техніки має отримання рід-

кого повітря. З рідкого повітря легко отримати азот і кисень. Якщо рідке 
повітря нагрівати, то першим випаровуватиметься азот при 77 К, а потім 
кисень при 90 К. 

Оскільки рідке повітря має досить значний вміст кисню, то воно спри-

яє горінню. Вугільний порошок, просочений рідким повітрям, - це рече-
вина, яка за вибуховою силою не поступається динаміту, 

* П. Л. Капіца (1894-1984) - учень Резерфорда, лауреат Нобелівської премії. 

211 

Рідке повітря широко застосовують для збагачування пальної суміші 

двигуна літака під час польотів у стратосфері, для підсилення доменного 

процесу тощо. 

При температурі зріджених газів різні речовини переходять у твердий 

стан. Так, наприклад, обливаючи рідким повітрям ртуть, можна перетво-
рити її в твердий стан. Зануривши в посудину з рідким повітрям пробірку 
зі спиртом, дістають твердий спирт, температура замерзання якого 159 К. 

Фізичні властивості багатьох речовин при температурі зріджених газів 

значно змінюються. Так, наприклад, ртуть і цинк стають ковкими, сви-
нець - пластичний метал - стає пружним, як сталь. Деякі тіла, пружні при 
звичайній температурі, будучи охолодженими в зрідженому газі, стають 
крихкими, як скло. Так, наприклад, кусок гуми після охолодження в рід-
кому повітрі легко ламається. При температурах, близьких до 0 К, у бага-
тьох речовин опір електричному струму зменшується до нуля. Це явище 
назвали

 надпровідністю. 

Зріджені гази швидко випаровуються. Для їх збереження Дьюар скон-

струював спеціальні посудини з подвійними стінками, з внутрішнього 
простору між якими відкачано повітря. У такий спосіб майже усувається 
теплообмін вмісту посудин із зовнішнім середовищем через конвекцію і 
теплопровідність. Для зменшення нагрівання через випромінювання стін-

ки виготовляють дзеркальними. Одна з посудин Дж, Дьюара - термос, 
призначений для збереження їжі в гарячому вигляді. 

§ 67. Абсолютна і відносна 

вологість повітря. Точка роси 

Абсолютна і відносна вологість повітря 

У природі є багато відкритих водойм, з поверхні яких безпе-

рервно випаровується вода. Тому до складу атмосфери входить і пара во-
ди. Кількість водяної пари в повітрі характеризує його

 абсолютну воло-

гість - величину, що показує, яка маса пари води міститься в 1 м

3

 повіт-

ря.

 Крім абсолютної вологості, треба знати й ступінь насичення повітря 

парою. Він характеризується

 відносною вологістю - величиною, що дорів-

нює відношенню абсолютної вологості В до кількості І\ водяної пари в 

1 м\ яка насичує повітря при певній температурі; відносну вологість 

визначають у процентах: 

/ =

  £ • 1 0 0 % . (6.2) 

М) 

Якщо повітря не містить пари води, то його абсолютна і відносна во-

логості дорівнюють нулю. 

212 

Точка роси 

Абсолютну вологість повітря можна визначати за точкою роси, 

Іочці роси відповідає температура, при якій пара, що є в повітрі, стає 

насиченою.

 Значення

 В

0

 для різних температур зведені в довідкову таблицю. 

< )гжс, знаючи точку роси і температуру повітря і взявши з таблиць зна-

мення О і О

0

, можна визначити /. 

Гігрометр 

Прилади для визначення вологості повітря називаються

 гігро-

мстрами.

 Робота найпростішого гігрометра ґрунтується на тому, що зне-

жирена людська волосина видовжується від збільшення вологості повітря. 

Якщо таку волосину

 С

 (рис. 6.3) 

помотати навколо легенького блока, 

прикріпивши один кінець його до 
металевої рами, а до другого підві-

єм

 ги тягарець

 Р,

 то при зміні дов-

жини волосини покажчик 5, при-

кріплений до блока, рухатиметься. 

І Іопередньо проградуювавши цей 

прилад, можна безпосередньо по 
ньому визначати відносну вологість. 

Волосяний гігрометр застосо-

вують тоді, коли не потрібна вели-
ка точність визначення вологості 
повітря. 

Психрометр 

Точніше вологість по-

мп ря визначають за допомогою 
психрометра (рис. 6.4). Він склада-

єгьея з двох термометрів, резерву-
ар одного з них обгорнуто марлею 

Л/, яка опущена в посудину

 П

 з 

модою. Вода, піднімаючись по ка-
пілярах марлі, змочує резервуар 

і ермометра. Якщо повітря не наси-

* іеі іс водяною парою, то вода з марлі Рис. 6.3 Рис. 6.4 

213 

випаровується, охолоджуючи термометр, тому термометр з вологим ре-
зервуаром покаже нижчу температуру, ніж термометр з сухим резервуа-
ром. Чим сухіше повітря, тим більша різниця показань сухого і мокрого 
термометрів. За цією різницею з психрометричних таблиць визначають 
відносну вологість повітря. Якщо повітря насичене водяною парою, то 
показання термоіметрів будуть однакові, відносна вологість становитиме 

100 %, що можливо, наприклад, під час дощу, туману тощо. 

§ 68. Взаємодія атмосфери і гідросфери 

Атмосфера 

Повітряну оболонку Землі називають

 атмосферою

 (від грец. 

"атмос" - пара, "сфера" - куля). Атмосфера захищає рослинний і тварин-
ний світ від згубної дії ультрафіолетового і космічного випромінювань. 
Без атмосфери наша планета була б такою ж позбавленою життя, як і Мі-
сяць. Сонячне проміння розжарило б освітлений бік Землі, а на неосвіт-
леному боці був би крижаний холод. Атмосфера огортає Землю, зберігаючи 
теплоту, одержану від Сонця. 

Основна маса атмосфери міститься в приземному шарі повітря, який 

називають

 тропосферою

. На її частку припадає близько 90 % маси всієї 

атмосфери. Верхня межа тропосфери розміщена на висоті 10 км у поляр-
них широтах і на висоті 17 км в екваторіальних. 

Тепло тропосфера одержує в основному від земної поверхні. Темпера-

тура тропосфери зменшується з висотою, від'ємний перепад температури 
становить близько 1 К на кожні 100 м. У верхній частині тропосфери -

тропопаузі -

 зниження температури різко сповільнюється, і в шарі за-

втовшки близько 2 км температура майже не змінюється. 

Усі явища, пов'язані із зміною погоди на Землі, відбуваються в тропо-

сфері. Велике значення при цьому мають випаровування і конденсація води. 
З поверхні різних водойм щодоби випаровується близько 7-Ю

3

 км

3

 води і 

майже стільки ж випадає у вигляді опадів, тому в середньому кількість 
водяної пари в атмосфері приблизно стала. 

Утворена біля поверхні Землі водяна пара захоплюється конвективним 

рухом повітря. Піднімаючись угору на висоту 1,5-2 км і охолоджуючись, 
вона приходить у стан насичення і конденсується. З утворених крапельок, 
які вдержуються висхідними потоками повітря, утворюються хмари. Роз-
міри цих крапельок малі, порядку 0,01 мм. 

Якщо хмари ущільнюються, го в них утворюються дощові краплі, їхні 

розміри досягають 1-5 мм. Такі краплі вже не можуть утриматися в 
хмарі, і падає влітку дощ, а взимку сніг. 

214