ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.11.2019
Просмотров: 18838
Скачиваний: 11
Конденсація нари і утворення хмар пов'язані з виділенням теплоти. Ці про-
і т и мають істотне значення в енергетичному режимі нижньої тропосфери.
Вище від тропосфери розміщена
стратосфера
, Стратосфера характе-
рі пусгься додатним градієнтом температури. Температура нижньої межі
є і ра госфери 200-210 К, верхньої - порядку 280 К. Висота тропосфери до
М) 55 км, середній тиск близько 1000 Па.
Вище від тропосфери розміщена
мезосфера.
Тропосферу і мезосферу
відокремлює невеликий за товщиною шар із сталою температурою -
стратопауза
. Мезосфера сягає висоти 80 км. Температура мезосфери
їмсншується з висотою, і в її верхній межі вона має порядок 160 К,
І іаступний шар атмосфери -
термосфера
, в ньому температура знову
починає підвищуватись і на висоті 600 км досягає 1200 К вночі і 1700 К
вдень. Саме на цих висотах - у термосфері - обертаються навколо Землі її
пітучні супутники і космічні кораблі. Тиск в термосфері порядку 10 Па,
юбто концентрація газу незначна, тому висока температура не впливає на
нагрівання поверхні супутників і космічних кораблів,
І !а висоті 800 км розміщений зовнішній шар атмосфери -
екзосфера,
який поступово переходить у міжпланетне середовище»
Гідросфера
Водна оболонка Землі -
гідросфера
- відрізняється від атмо-
сфери тим, що вона покриває не всю земну кулю, а лише 70,8 % її повер-
хні. До водної оболонки належать і води суші - річки і озера, підземні
води, а також гірські і покривні льодовики. Найбільше скупчення води на
поверхні Землі - це
Світовий океан
, на його частку припадає 94 % всієї
і ідросфери. Материки І острови ділять його на окремі океани, моря, про-
гоїш і затоки. Об'єм Світового океану досягає 1,37 -ІО
9
км
3
.
З поверхні океану щороку випаровується близько 450 тис. км
3
води,
(Начислення показують, що для випаровування всього об'єму океану по-
грібно було б 3000 років, але річки повертають океану ту кількість води,
яку суша дістає за рахунок вологи, що випарилась з його поверхні. Отже,
запас води в океані зовсім замінюється за 3000 років. Води в річках замі-
нюються кожні 12 діб, тобто 30 разів за рік. Найактивніша пара атмосфе-
ри, вона замінюється кожні 10 діб. Таким чином, уся маса води на Землі
перебуває в безперервному русі - у кругообігу. Вода випаровується з по-
верхні океану і суші, поповнюючи запаси атмосферної вологи. З атмос-
фери у вигляді дощу і снігу вона повертається в океан і на сушу.
У Світовому океані зародилося життя. Рослинність, яка виникла в ньо-
му, збагатила атмосферу киснем і зробила її придатною для життя тварин.
215
Досі діяльність рослинних організмів в океані, які розкладають воду на
водень і кисень, - основне джерело вільного кисню в атмосфері.
Океан, атмосфера і суша безперервно обмінюються речовинами. Волога,
яка випарилась з поверхні гідросфери, переноситься вітрами на материки
і, випадаючи у вигляді опадів, зрошує землю.
У всіх природних водах у розчиненому стані містяться різні гази, пе-
реважно азот, кисень і вуглекислий газ. Вуглекислий газ, що надходить у
воду з атмосфери, використовують рослини в процесі фотосинтезу. За рік
на побудову своїх тканин рослинний планктон і бактерії забирають з вуг-
лекислого газу близько 100 млрд т вуглецю. В атмосфері міститься у 60 разів
менше вуглекислого газу, ніж в океані.
Відомо, що вода має велику теплоємність: 1 м
3
води, охолонувши на 1 К,
може нагріти на 1 К понад 3300 м
3
повітря. Внаслідок цього
океани і моря є акумулятором і розподільником сонячного тепла
на поверхні нашої планети.
§ 69. Кипіння.
Залежність температури кипіння від тиску
Кипіння
У процесі випаровування найшвидші молекули рідини зали-
шають поверхню рідини, подолавши сили молекулярної взаємодії і пере-
творившись у молекули пари (див. § 63).
Окремим випадком випаровування є
кипіння.
Це процес інтенсивного
пароутворення не тільки з вільної поверхні, а й з усього об'єму рідини.
Нагріємо рідину у відкритій посудині. Усяка рідина містить деяку
кількість розчинених газів. Із підвищенням температури розчинність
газу зменшується. Газ виділяється з рідини, осідаючи у вигляді дрібних
бульбашок на внутрішніх стінках посудини. З підвищенням температури
розміри бульбашок зростають, а потім вони спливають.
Потрапляючи у верхні, менш нагріті
шари рідини, вони зменшуються в розмі-
рах внаслідок конденсації пари всередині
їх (рис. 6.5, а).
Коли температура рідини вирівняється,
об'єм бульбашок при підніманні зроста-
тиме. Відбувається це тому, що тиск на-
сиченої пари всередині бульбашки не змі-
нюється:
р
н
= пкТ,
а гідростатичний тиск
р%Н зменшується. При сталій температурі
Рис.
6.5
216
пн к насиченої пари від об'єму не залежить, увесь простір усередині буль-
• кішки в процесі її зростання заповнений насиченою парою: Коли бульбаш-
і і досягне поверхні рідини, то тиск насиченої пари в ній практично дорів-
нює атмосферному тиску на поверхні рідини. Насичена пара, яка заповнює
Оульбашку, викидається в атмосферу (рис. 6.5,
б).
Відбувається кипіння.
І'ідина кипить при однаковій температурі всієї рідини, коли тиск
11 аси чу вальної пари цієї рідини дорівнює зовнішньому тиску.
Кожна рідина за нормальних умов кипить при певній температурі, при
чи пі тиск насичувальної пари цієї рідини дорівнює зовнішньому тиску на
и поверхню. Цю температуру називають
температурою кипіння.
Теплота, яка надходить до рідини в процесі кипіння, витрачається на
юільшення потенціальної енергії молекул, на роботу проти зовнішнього
піску під час утворення і руху бульбашок пари, на компенсацію втрат
і пілоти, пов'язаних з процесом випаровування рідини в навколишнє се-
редовище.
і цих міркувань зрозуміло, що температура кипіння рідини залежить
від зовнішнього тиску. Чим менший зовнішній тиск, тим нижча темпера-
і ура кипіння рідини. Цим пояснюється добре відомий факт, що на вели-
кнх висотах, де атмосферний тиск знижений, рідини киплять при темпе-
ра гурах, нижчих, ніж на рівні моря. Навпаки, в котлах парових машин, де
і пек досягає порядку 15 атм ^15 • 10
5
Патемпература кипіння води близь-
ка до 200 °С (473 К).
Коли кажуть про температуру кипіння рідини, не вказуючи тиску, ма-
ють на увазі температуру кипіння при нормальному тиску (760 мм рт. сг. =
1,02-10
5
Па).
Рівняння теплового балансу
при пароутворенні і конденсації
Кількість теплоти, яка потрібна для перетворення на пару рі-
дини,
нагрітої до температури кипіння, визначають за формулою
Є = гш, (6.3)
де
г -
питома теплота пароутворення;
т
- маса рідини, перетвореної на
пару.
Із закону збереження енергії випливає, що в процесі конденсації пари
в рідину виділяється кількість теплоти, яку визначають за формулою (6.3),
Питома теплота пароутворення для певної рідини зменшується з під-
вищенням температури. Питому теплоту пароутворення визначають на
досліді. Як правило, її визначають за теплотою конденсації. Для цього
217
пару речовини, питому теплоту пароутворення якої визначають, впуска-
ють у холодну рідину тієї самої речовини, що міститься в калориметрі.
Знаючи температуру кипіння
Т
к9
масу рідини
іщ
і її температуру до
впускання пари (7\) і після (Г
2
), складають рівняння теплового балан-
су. Нехтуючи кількістю теплоти, яка виходить у навколишній простір,
дістанемо
де О =
тш
~~ кількість теплота, яка виділяється при конденсації пари;
(2\ =с
х
т(Т
к
~Т
2
)
- кількість теплоти, яку віддала рідина, що утворилася з
пари;
^2 - с
х
т
х
(Г
2
-
Т
х
) - кількість теплоти, яку одержала рідина, що міс-
титься в калориметрі;
0>
л
=
с
2
т
2
(Т
2
- 7|) - кількість теплоти, яку одержав
калориметр;
с
І9
с
2
~~ питомі теплоємності рідини і речовини калоримет-
ра, Звідси визначимо питому теплоту пароутворення:
г =
(Г
2
- Т
х
) + с
2
т
г
(Т
2
- з;) - дія (Т
к
~Т
2
)
т
§ 70» Перегріта пара та її використання в техніці
Пара, яка має температуру, вищу від температури насичен-
ня при тому самому тиску; є перегрітою.
Перегріту пару застосовують як
робоче тіло в теплових двигунах, турбінах тощо.
Розвиток техніки залежить від уміння якомога повніше використову-
вати величезні запаси внутрішньої енергії, яка міститься в паливі. Засто-
совувати внутрішню енергію - це означає дістати за рахунок неї корисну
роботу, а це, в свою чергу, означає, що для використання внутрішньої
енергії її треба спочатку перетворити в механічну. Це можна здійснити
різними способами, наприклад, перевести енергію палива в енергію газу
або пари. Розширюючись,
газ
виконує роботу і при цьому охолоджується.
Його внутрішня енергія переходить у механічну енергію рухомого порш-
ня або обертової турбіни, Добуту в котлах перегріту пару (суху) направ-
ляють до парової турбіни. Температура перегрітої пари така велика, що
ККД таких турбін перевищує 45 %. Після виконання роботи в турбіні па-
ра має ще високу температуру і значний запас енергії, тому її використо-
вують в опалювальних системах,
Енергію водяної пари широко застосовують для роботи парових турбін
теплоелектростанцій, парових машин, для виробничих і побутових потреб.
218
§71. Поняття про атмосферу планет
Усі планети Сонячної системи оточені атмосферою - шаром
і ти», який угримується біля поверхні планет силами тяжіння.
Виявлена під час космічних і астрофізичних досліджень відмінність
хімічного складу атмосфери планет Сонячної системи пояснюється від-
мінністю еволюції цих планет.
Атмосфера Землі обертається разом із Землею як єдине ціле.
її маса приблизно дорівнює 5-Ю
18
кг. Склад атмосфери біля поверхні
ісмлі: 78,1 % азоту, 21 % кисню, 0,9 % аргону, незначні частки вуглекис-
иого газу, водню, гелію, неону та інших газів. На висоті 20-25 км розмі-
щений шар озону, який захищає живі організми на Землі від шкідливого
короткохвильового космічного випромінювання. У нижніх шарах атмос-
фери міститься ще водяна пара. Вище 100 км склад атмосфери починає
імінюватися з висотою. На дуже великих висотах переважають гелій і
водень.
Тиск і густина повітря в атмосфері з висотою також спадають.
Атмосфера відіграє важливу роль у тепловому балансі планет. Водяна
пара і вуглекислий газ атмосфери Землі значною мірою поглинають теп-
нове проміння, захищаючії Землю від охолодження. Отже, атмосфера
створює
парниковий ефект
і зменшує добові й сезонні коливання темпе-
ратури.
Атмосфера на інших планетах значно відрізняється від земної. Так,
наприклад, атмосфера Венери складається з 97 % вуглекислого газу, 2 %
азоту, 1 % кисню. Такий склад атмосфери і її висока густина (тиск на по-
верхні досягає 100 атм) підсилюють парниковий ефект. Хоча вуглекислий
і аз на Венері переважає в складі її атмосфери, а на Землі становить лише
незначну частку атмосфери, загальний вміст вуглекислого газу на Венері
і *емлі приблизно однаковий. Тільки на Землі практично вся вуглекислота
і в'язана в осадових породах, а на Венері вона вивільнилася в атмосферу.
11 а Землі є такі потужні поглиначі вуглекислого газу, як океан, рослинний
світ, що разом з помірною температурою сприяє його розміщенню в поверх-
невих породах. На Венері поглинання вуглекислого газу регулюється лише
мінералами поверхні, які при високій температурі ( - 7 5 0 К) розкладаються
і виділяють вуглекислий газ.
Малий вміст кисню в усіх досліджених атмосферах, крім земної, пояс-
нюється тим, що він є результатом життєдіяльності рослинного світу,
який на жодній планеті не дістав такого розвитку, як на Землі.
В атмосфері Марса виявлено вуг лекислий газ і водяну пару, тиск атмо-
сфери дуже малий і не перевищує 1 кііа. В атмосфері Меркурія - вугле-
кислий газ, але оскільки поверхня Меркурія нагрівається до 620 К, то ат-
мосфери на планеті фактично немає.
219