Качественные задачи. Теплота и молекулярная физика.

Задачи на газовые законы можно решать по следующему плану.

Если в задаче задано одно состояние газа и требуется определить какой – либо параметр этого состояния, то нужно воспользоваться уравнением Менделеева- Клапейрона.

Если значения значения давления и объема явно не заданы, то нужно выразить их через заданные параметры, подставить в записанное уравнение и, решив его, найти неизвестный параметр.

В том случае, если в задаче рассматриваются 2 различных состояния газа, то нужно установить: меняется ли масса газа при переходе из одного состояния в другое. Если масса газа остается постоянной, то можно записать уравнение Клапейрона (уравнение объединенного газового закона). Если же при постоянной массе в данном процессе не изменяется какой-либо из параметров Р, Т , V (Давление, температура, объём), то применяется уравнение соответствующего закона (Гей- Люссака, Шарля или Бойля-Мариотта). Если в 2 состояниях масса газа разная, то для каждого состояния записывается уравнение Менделеева - Клапейрона. Затем система уравнений решается относительно искомой величины.

При решении задач на пары и влажность применяются законы идеального газа. Однако есть особенности:

1. параметры двух различных состояний насыщенного пара не подчиняются объединённому газовому закону, так как в этих состояниях насыщенный пар имеет различную массу.
2. по заданной температуре насыщенного можно, пользуясь таблицами, найти его плотность и давление; давление насыщенного пара не зависит от V , зависит от Т.
3. по заданной температуре ненасыщенного пара Т и его точке росы Тр можно с помощью таблиц найти абсолютную влажность, так как при температуре Тр этот пар станет насыщенным;
4. параметры каждого состояния насыщенного пара связаны между собой уравнением Менделеева – Клапейрона.
5. атмосферное давление представляет собой сумму парциального давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром.

Большинство явлений, зависящих от влажности, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, состояние организма и т.п., зависит не от количества водяного пара, находящегося в воздухе, а от того, насколько близко это количество к насыщению, т,е, от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
При решении задач на изменение внутренней энергии тел нужно, исходя из условия, установить характер взаимодействия тел и составить уравнение на основании закона сохранения и превращения энергии, а также использовать формулы для подсчета количества теплоты, необходимой для нагревания, плавления, парообразования. В задачах особое внимание обращается на наличие переходов из одного агрегатного состояния в другое. Изобразить процессы графически.

Рассмотрим качественные задачи:

№1. Может ли теплоёмкость газа быть отрицательной?

Решение.
Теплоёмкостью тела С называется количество теплоты Q, необходимое для повышения температуры тела на 1К. По определению С=Q/ΔТ .
Очевидно, что теплоёмкость газа может быть отрицательной, если работа , совершаемая газом, больше подводимого к газу тепла. В ходе такого процесса газ будет охлаждаться.

№2 Двое учеников в столовой взяли на третье чай. Первый ученик сразу же растворил в стакане сахар, второй сначала съел первое и второе, а потом положил в стакан сахар и растворил его. Кто из учеников будет пить более горячий чай?

Решение:
При растворении сахара происходит поглощение некоторого количества тепла, температура чая при этом падает. Потери тепла в окружающее пространство тем меньше, чем меньше разность температур чая и окружающего пространства.
Это значит, что чай с растворённым в нём сахаром потеряет за данное время меньшее количество тепла, чем более горячий чай без сахара. Поэтому тот, кто растворил сахар сразу, будет пить более горячий чай.

№3 . Почему обычно не бывает росы под густым деревом?

Решение:
Густое дерево играет роль термостата - суточные колебания температуры под ним не так сильно выражены: днём немного холоднее, а ночью чуть теплее, чем вокруг. Поэтому при охлаждении воздуха, перед восходом солнца роса выпадает на открытых местах, а под густым деревом точка росы не достигается. Точка росы –это температура при которой выпадает роса. Водяной пар , находящийся в воздухе, при охлаждении конденсируется, и маленькие капельки воды оседают на траву и листья -это роса.

№4. Будет ли кипеть вода в пробирке, опущенной в колбу с кипящей водой? Что мы увидим, если поверх воды в пробирку налить толуол (это легкая жидкость, не смешивающаяся с водой), температура кипения толуола 111°С?

Решение:
Процесс парообразования, происходящий одновременно с поверхности и в объеме жидкости, называется кипением. Процесс кипения требует непрерывного подвода тепла.
Когда вода в пробирке нагреется до температуры кипения 100°С, подвод тепла из колбы прекратится. Поэтому вода в пробирке кипеть не будет.
Когда поверх воды налить толуол в пробирку, то будет наблюдаться явление , пограничного кипения. Суть в том, что кипение начинается на границе двух жидкостей, тогда когда сумма парциальных давлений их насыщенных паров равна внешнему атмосферному давлению. При этом давление насыщенных паров воды будет меньше атмосферного, а значит и температура ниже 100°С. Таким образом, при добавлении толуола в пробирку с водой кипение на границе толуол-вода начнется раньше, чем закипит вода в колбе. При пограничном кипении температура меньше температуры кипения каждой в отдельности жидкостей.

№5. Почему когда одежда намокает, становится холодно?

Решение:
Испарение-это процесс парообразования с поверхности жидкости, происходящий при любой температуре. Так как улетающие молекулы покидают жидкость, преодолевая силы межмолекулярного взаимодействия, то кинетическая энергия оставшихся молекул , а значит и температура при этом понижаются. Это вызывает ощущение холода.
Можно ответ сформулировать так:
Испаряющаяся с мокрой одежды вода забирает тепло у человека, что и вызывает ощущение холода.

№ 6. Два одинаковых по объёму и весу сосуда погружаются в воду на глубину Н. У одного из сосудов имеется внизу отверстие, через которое вода может проникать внутрь сосуда. Одинаковую ли работу необходимо затратить для погружения каждого из этих цилиндров в воду?

Решение:
На сосуд без отверстия во время погружения будет действовать постоянная сила пропорциональная объёму сосуда. По мере погружения сосуда с отверстием в дне вода будет проникать во внутрь сосуда, сжимая находящийся в нём воздух. В соответствии с этим будут уменьшаться объём вытесняемой сосудом воды и выталкивающая сила F=ρgV. Следовательно, и работа, совершаемая против этой силы, будет в любой момент меньше, чем работа, совершаемая против силы в первом случае.
Значит, для погружения сосуда с отверстием необходимо затратить меньшую силу.