Физика для школьников старших классов и поступающих - Яворский Б.М.
ISBN 5-7107-9384-1
Скачать (прямая ссылка):
159
сосуда, в котором находится газ. Такое состояние газа называется также вакуумом. Различаются следующие степени разрежения газа: сверхвысокий ((Л) 3> I), высокий ((X) > I), средний ((X) и /) и низкий ((X) <5? /) вакуум (здесь (X) рассчитано по формуле 11.3.5.3°). В трех первых степенях вакуума свойства разреженных газов отличаются от свойств неразреженных газов. Это видно из таблицы II.3.2, где приведены некоторые характеристики различных степеней вакуума.
Таблица II.3.2
Характери- стика Вакуум
низкий средний высокий сверхвысо- кий
Давление в мм рт. ст. 760—1 1—10~3 10-3—Ю'7 IO-8 и менее
Число молекул в единице объема (в M-3) IO25-IO22 IO22—IO19 IO19-IO15 IO14 и менее
Зависимость от давления коэффициентов К и iH He зависят от давления Зависимость от р определяется параметром ш Прямо пропорциональны давлению Теплопроводность и вязкость практически отсутствуют
2°. В состоянии высокого вакуума (п. 1°) уменьшение плотности разреженного газа приводит к соответствующей убыли числа частиц без изменения (X). Следовательно, уменьшается число носителей импульса или внутренней энергии в явлениях вязкости и теплопроводности. Коэффици-енты переноса в этих явлениях прямо пропорциональны плотности газа (ср. 11.3.8.4° и 11.3.8.5°). В сильно разреженных газах внутреннее трение по существу отсутствует. Вместо него ®°зникает внешнее трение движущегося газа о стенки сосуда, Связанное с тем, что молекулы изменяют свои импульсы толь-Ко при взаимодействии со стенками сосуда. В этих условиях напряжение трения в первом приближении пропорционально
160
ГЛ. II.4. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ,,
плотности газа и скорости его движения (ср. 11.3.8.4°). Удель-j ный тепловой поток в сильно разреженных газах пропорцио-1 нален разности температур и плотности газа (ср. 11.3.8.5°). J
3°. Стационарное состояние разреженного газа, находящегося в двух сосудах, соединенных узкой трубкой, возможно,’ при условии равенства встречных потоков частиц, перемещаю-* щихся из одного сосуда в другой: Jl1(U1) = п2(и2), где Ii1 и п2 —* концентрации молекул в обоих сосудах, (U1) и (и2) — их сред* ние арифметические скорости (11.3.3.6°). ]
Если T1 и T2 — температуры газа в сосудах, то предыдущее! условие стационарности можно переписать в виде уравнения,! выражающего эффект Кнудсена'.
Pi= Е±
P2 AZ7V
гдеP1 ир2 — давления разреженного газа в обоих сосудах.
Глава II.4 ВТОРОЙ ЗАКОН (ВТОРОЕ НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ
§ II.4.1. Круговые процессы (циклы). Цикл Карно
1°. Круговым процессом, или циклом, называется такая совоЗ купность термодинамических процессов (П. 1.3.7°), в результаті которых система возвращается в исходное состояние В диаграммах состояния р—V, р—T и других круговые равновеб ные процессы (11.1.3.7°) изображаются замкнутыми кривыми ибо двум тождественным состояниям — началу и концу кругово го процесса — соответствует на диаграмме одна и та же точка.
Термодинамическая система, совершающая круговой про цесс и обменивающаяся энергией с другими телами, называет! ся рабочим телом. В тепловых машинах обычно таким телої является газ.
2°. Произвольный круговой, равновесный процесс .СгаС2ЬС (рис. II.4.1), совершаемый идеальным газом, можно разбит! на процесс расширения газа из состояния C1 в состояние CSi
§ II.4.1. КРУГОВЫЕ ПРОЦЕССЫ (ЦИКЛЫ). ЦИКЛ КАРНО
161
(кривая C1CiC2) и процесс сжатия газа из состояния C2 в состояние C1 (процесс CjjbC1). При расширении газа он совершает положительную работу A1, измеряемую площадью фигуры V1C1CC2V2 (11.2.4.2°). Сжатие газа происходит под действием внешних сил, которые совершают положительную работу A2 = которая измеряется площадью фигуры V1C1^bC2V2. Поскольку A1 > А'2 (рис. II.4.1), то газ за цикл совершает положительную работу A =A1 + A2= A1- Af2i измеряемую площадью, ограниченной кривой процесса С1аС2ЬС1. Эта площадь заштрихована на рис. П.4.1.
3°. Прямым циклом называется круговой процесс, в котором система совершает положительную работу А = j>pdV > 0.
Замкнутая кривая на диаграмме р—V, изображающая прямой цикл, описывается по часовой стрелке (рис. П.4.1). Примером прямого цикла является цикл, совершаемый рабочим телом в тепловом двигателе. В таком двигателе рабочее тело (п. 1°) получает энергию в форме теплоты (11.2.2.1°) от внешних источников и часть ее отдает в форме работы (11.2.2.1°) (см. п. 5°).
4°. Обратным циклом называется круговой процесс, в котором система совершает отрицательную работу А = j>pdV < 0 .
В диаграмме р—V обратный цикл изображается замкнутой кривой, проходимой против часовой стрелки. Примером обратного цикла является цикл рабочего тела в холодильной установке. В такой устайовке рабочее тело получает энергию в форме работы и передает энергию в форме теплоты от холодного тела к более нагретому телу (см. п. 5°).
Рис. II.4.1
Рис. II.4.2
162
ГЛ. II.4. ВТОРОЙ ЗАКОН (НАЧАЛО) ТЕРМОДИНАМИКИ
5°. В связи с тем, что полное изменение внутренней энергии газа в результате кругового процесса равно нулю (11.2.1.3°), первый закон термодинамики (11.2.3.1°) для такого процесса имеет вид