0: Привет всем любителям физики и физического эксперимента с вами, Андрей Щетников. Наш сегодняшний ролик будет посвящён адиабатным процессам и для начала
1: Сделаю следующий простой и интересный опыт. Здесь у меня на столе стоит толстостенный цилиндр из оргстекла. Я кладу в него кусочек ваты.
2: А сверху вставляю смазанный маслом поршень, который плотно прилегает к стенкам цилиндра, и сейчас я резко ударю по поршню итак, раз и там, внутри вспыхнуло.
3: Пламя на очень короткое мгновение. Лучше посмотреть на этот опыт, снятый в темноте, и на скоростную камеру снимаем 480 кадров в секунду. Весь процесс длится 10 кадров, то есть 1 50 секунду.
4: Замедлим видео ещё в несколько раз и видим, как пламя поднимается вверх вслед за вылетающим поршнем.
5: Чтобы вата загорелась, нужно нагреть воздух до нескольких сотен градусов, и мы нагреваем его за счёт быстрого сжатия. А почему так происходит? Мы сейчас разберёмся и начнём с простого опыта в программе.
6: Буду. Итак, у меня имеется ящик с подвижной стенкой, а внутри этого ящика летают маленькие шарики, условные молекулы, и они сталкиваются со стенками так, что не теряют при
7: Этом своей энергии. Теперь я начинаю двигать
8: Подвижную стенку вдвигать поршень внутри ящика, и при каждом соударении за счёт того, что поршень движется, энергия столкнувшейся частицы растёт.
9: Ну а потом она передаёт эту энергию столкновениями другим частицам и таким образом,
10: Энергия частиц внутри ящика становится все больше и больше. И это означает, что мы повысили температуру Газа внутри ящика. Ну, вообще то движение 1 единственной частицы.
11: Внутри одномерного ящика с подвижной стенкой мы уже рассматривали в ролике адиабатический инвариант, и я советую вам его посмотреть, и, конечно, все это можно было объяснить и не рисуя молекул на макроскопическом.
12: Языке. Вот наш поршень. Мы удерживаем его силой, равной давлению Газа на площадь поршня п на с. А дальше мы эту силу чуть чуть увеличиваем. Ну, практически она остаётся той же самой и медленно
13: Двигаем поршень внутрь на расстояние d x и совершаем при этом работу д а равную ф на д икс, но если вместо ф поставить сюда п на с то с д икс будет изменение объёма.
14: Правда, надо написать здесь знак минус, потому что, когда мы вдвигаем поршень, мы уменьшаем объём, а не увеличиваем его. Теперь самое главное, почему наш процесс является адиабатическим, что означает
15: Это слово, оно означает, что газ, который находится внутри, под поршнем, не обменивается теплом через стенки с внешним миром. Ну, в ситуации с нашим огнивом это происходило.
16: За счёт того, что мы вдвигали поршень внутрь очень быстро, и поэтому вся работа, которую мы совершили, идёт на изменение внутренней энергии Газа, то есть на увеличение его.
17: Температуры. Ну и соответственно, мы можем написать уравнение адиабаты, но главное, что здесь надо понимать ещё раз, что адиабатический процесс это такой, который происходит без теплообмена с
18: Внешним миром. И, конечно, главное применение адибас ого сжатия это предварительный нагрев воздуха в различных тепловых двигателях. В дизельном двигателе. Воздух под поршнем сжимается до такой степени, что
19: Топливо воспламеняется само, без свечи зажигания, а потом нагретый воздух расширяется и совершает работу гораздо большую, чем та, которая пошла на его сжатие, обычный двигатель внутреннего сгорания.
20: По сути, работает таким же образом, но из за меньшей степени сжатия поджигать топливную смесь приходится с помощью свечи, а в авиационном турбореактивном двигателе адиабатическое сжатие осуществляется с помощью компрессора.
21: А затем нагретый воздух вместе с продуктами сгорания вращает лопатки турбины, вырывается реактивной струёй из сопла, а турбина вращает компрессор и вентилятор, который и создаёт основ.
22: Ну, силу тяги. И вот Андрей рассказал про нагревание Газа при адиабатическом сжатии. Понятно, что процесс можно обратить и при адиабатическом расширении Газа он должен охладиться.
23: Вернёмся к нашей модели в алгудо и будем медленно отодвигать поршень. При каждом ударе молекулы о движущийся поршень. Она теряет часть своей энергии, а за счёт столкновений с другими молекулами эта потеря энергии постепенно перераспределяется.
24: Между всеми молекулами и температура Газа падает. Смотрите, насколько медленнее стали двигаться молекулы. Это была компьютерная модель. А сейчас мы сделаем натурный эксперимент и чтобы расширение
25: Газа было близко к адиабатическому, нужно, чтобы оно происходило очень быстро, и теплообмен при этом не успевал произойти, и вот здесь держатель закреплён баллончик с углекислотой, сжатый до 60 атмосфер.
26: Сейчас я проколю этот баллончик.
27: И вот шуруп покрывается снежком.
28: А баллончик очень сильно охладился, и неплохо было бы теперь измерить, до какой температуры он охлаждается. Мы используем в этом опыте 2 термопары. 1 прикреплена к горлышку баллончика, а другая установлена.
29: Снизу под ним удар молотком, пробка пробита, струя расширяющегося цо 2 устремилась вниз посмотрим, что в этом опыте показывали датчики температуры тот, что стоял под струёй, остыл до - 40.
30: Градусов цельсия, и видно, что он остывал бы и дальше, но газ в баллончике закончился, а тот, что был прикреплён к горлышку, остывал неспешно у баллончика слишком большая для этого опыта теплоёмкость адиабатически.
31: Расширение газов используется для создания низких температур в холодильнике компрессор загоняет газообразный хладогент под высоким давлением в конденсатор, от сжатия он нагревается, отдаёт тепло окружающему воздуху и переходит из газо.
32: Образной фазы в жидкую. Затем жидкий хладогент проходит через узкую капиллярную трубку, за ней его давление падает, он испаряется, остывает и отнимает тепло у продуктов в холодильной камере, а потом хладогент снова
33: Поступает в компрессор, и этот цикл повторяется.
34: И надо понимать, что адиабатические процессы могут осуществляться не только с газами, но и с другими телами. Главное, чтобы эти процессы происходили достаточно быстро, так, чтобы теплообмен с окружающей средой не успел произойти и
35: Сейчас я вам покажу 1 замечательный опыт. Вот с этим воздушным шариком. Я буду его быстро растягивать, а потом отпускать, а при этом температура резины будет измеряться с помощью вот этого бесконтактного датчика, который
36: Практически не имеет инерции и фиксирует температуру без запаздывания сейчас датчик показывает комнатную температуру 26 градусов цельсия, резко растягиваю резину.
37: И температура поднимается до 38 градусов на 12 градусов выше комнатной. Теперь резина остывает. Подождём, пока её температура приблизится к комнатной.
38: Вот она опустилась до 27 градусов, я отпускаю резину, и температура почти мгновенно падает до 15 градусов, то есть снова на 12 градусов, и дальше резина постепенно нагревает.
39: От контакта с воздухом. И вот получается, что резина ведёт себя совсем не так, как газ. Газ при сжатии нагревается, а при расширении охлаждается, а резина ведёт себя с точностью.
40: Да, наоборот, при растяжении резина нагревается, а при обратном сокращении она охлаждается, и нам надо как-то это объяснить. Здесь важную роль играет структура резины, которая состоит из макромоле.
41: Каучука длиной в несколько Десятков тысяч звеньев в недеформированном состоянии каждая такая молекула напоминает траекторию блуждающей броуновской частицы. Если молекула состоит из 10000 звеньев, её характерный размер по порядку.
42: Величины равен 100 звеньям. Когда мы растягиваем резину, молекулярные цепочки растягиваются в продольном направлении, а в поперечном направлении их размеры уменьшаются, звенья молекул находятся в непрерывном движении, и мы проиллюстрируем.
43: Это на простой модели. Массивные шарики связаны в цепочку, звенья, которой могут свободно поворачиваться друг относительно друга. И у всех Шариков есть некоторая начальная кинетическая энергия. Поршень тянет за конец цепочки и
44: Совершает работу против силы растяжения прикреплённого к нему стержня. За счёт этой работы кинетическая энергия системы увеличивается, и мы говорим, что её температура растёт, как и было в нашем опыте.
45: А теперь вернёмся к газам и выясним, как выглядит график адиабаты в координатах объём давления. Но сначала изобразим график изотермы идеального Газа, когда мы изменяем объём Газа, при постоянной температуре выполняется закон бойля мариотта и
46: Произведение давления на объём Газа остаётся постоянным, так что графиком изотермы является гипербола, и я нарисую ещё 2 гиперболы 1 для более низкой температуры, а другую для более высокой, а при адиабатическом сжатии.
47: Объём уменьшается, температура растёт, и мы переходим на более высокую изотерму. Соответственно, при адиабатическом расширении температура падает, и мы переходим на более низкую изотерму. Поэтому график адиабаты идёт круче, чем график.
48: И за термы в теории показывается, что в адиабатическом процессе сохраняется произведение пв в степени гамма коэффициент гамма называется показателем адиабаты, и он всегда больше единицы для идеального 1.
49: Атомного Газа он составляет 5/3, а для двухатомного Газа 7/5, то есть 1,4. Воздух состоит в основном из двухатомных молекул азота и кислорода, поэтому его показатели адиабаты при нормальных условиях
50: Очень близок к 1 целой 4 10, а теперь сделаем ещё 1 опыт с этой пластиковой пятилитровой бутылкой. Мы будем нагнетать в неё воздух с помощью насоса, повышая давление до полутора атмосфер, а ещё внутрь бутылки.
51: Введён температурный датчик, которым мы будем измерять температуру воздуха внутри бутылки включаю насос, и температура воздуха, внутри бутылки сразу же начинает подниматься комнатная
52: Температура составляла 26 градусов, а воздух в бутылке нагрелся уже до 32 градусов и продолжает нагреваться дальше.
53: 34 градуса. Вы слышите, что насосу стало уже трудно работать, пора его остановить.
54: Итак, за счёт сжатия воздух нагрелся на 8 градусов, а теперь он отдаёт тепло через стенки бутылки в окружающую среду, и мы подождём, пока воздух внутри бутылки остынет почти до комнатной температуры, и вот воздух.
55: Остыл, и теперь я быстро открою крышку бутылки, давление сбрасывается до атмосферного, а температура воздуха в бутылке резко упала до 21 градуса на 5 градусов ниже комнатной, а дальше воздух будет нагревать.
56: От внешней среды пока не установится тепловое равновесие. Кстати, этот опыт похож на опыт с резиной. В нём происходит нагрев при сжатии воздуха, потом в напряжённом состоянии устанавливается тепловое равновесие.
57: Затем воздух охлаждается при его расширении, и снова устанавливается тепловое равновесие, и тут надо сказать, что в нашем опыте сжатие Газа было не совсем.
58: Потому что при увеличении давления в 2 раза с 1 до 2 атмосфер при адиабатическом процессе температура должна была повыситься на 20%. Ну и если учесть, что комнатная температура составляла 3
59: Кельвинов, то она должна была подняться на 60 градусов, а у нас поднялась всего на 8, ну и тем не менее, понимание адиабатического процесса помогает нам объяснить и результаты, и этого опыта.
60: А сейчас настало время перейти к нашему традиционному заключительному вопросу, и, чтобы его задать, я сделаю ещё 1 опыт. Здесь в пятилитровую бутылку налито немного воды и изопропилового спирта. И сейчас я
61: Включу насос и подожду, пока поднимется давление.
62: И вот бутылка постепенно раздувается и заваливается куда-то Набок ничего, мы то её приде.
63: Тем временем давление поднимается все выше и выше, но хочется поднять её до 2 атмосфер, и мы этого дождёмся. И вот
64: Насос уже работает с трудом, я его останавливаю и открываю крышку, звук, похожий на открывание бутылки шампанского, а внутри бутыли появился туман, который всю её
65: Заполнил ну и спрашивается, почему же это произошло ваши соображения на этот счёт пишите в комментариях к этому ролику на YouTube.