Как обозначается конденсация в физике

Как обозначается конденсация в физике

Авторы: А.В. Перышкин

Издательство: Дрофа 2013

§ 20. Удельная теплота парообразования и конденсации

1. На что расходуется энергия, подводимая к жидкости при кипении?

Т.е. подводимое тепло увеличивает кинетическую энергию молекул жидкости, которые вылетают из объема жидкости и не возвращаются обратно.

2. Что показывает удельная теплота парообразования?

Обычно удельная теплота парообразования обозначается буквой L, единица измерения - Дж/кг.

3. Как можно показать на опыте, что при конденсации пара выделяется энергия?

Вода в трубах становится теплой и потом горячей.

4. Чему равна энергия, выделяемая водяным паром массой 1 кг при конденсации?

Имеется в виду, что этот пар находится при атмосферном давлении, иначе значение энергии конденсации будет другим - увеличивается при уменьшении давления и наоборот, уменьшается при увеличении давления.

5. Где в технике используют энергию, выделяемую при конденсации водяного пара?

В теплообменнике пар отдает энергию при конденсации теплоносителю. Теплоносителем может быть вода или другая неагрессивная, невзрывоопасная и непожароопасная жидкость с температурой кипения не выше +60ºС, нефтепродукты - битум, мазут, дизельное топливо.

Упражнение 16.1. Как надо понимать, что удельная теплота парообразования воды равна 2300 кДж/кг?

Подразумевается, что это происходит при атмосферном давлении.

Упражнение 16.2. Как надо понимать, что удельная теплота конденсации аммиака равна 1400 кДж/кг?

Имеется в виду, что это будет происходить при атмосферном давлении.

Упражнение 16.3. У какого из приведенных в таблице 6 веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается больше? Ответ обоснуйте.

При изменении внешнего давления вышеприведенный вывод может быть неверен - другое вещество будет обладать большей внутренней энергии.

Упражнение 16.4. Какое количество энергии требуется для обращения воды массой 150 г в пар при температуре 100°C?

Задача решена верно только если подразумевается атмосферное давление.

Упражнение 16.5. Какое количество энергии нужно затратить, чтобы воду массой 5 кг, взятую при температуре 0°C, довести до кипения и испарить её?

Всё это верно только при атмосферном давлении и при пренебрежении затрат тепла на нагрев окружающего воздуха и сосуда, в котором находится вода.

Упражнение 16.6. Какое количество энергии выделит вода массой 2 кг при охлаждении от 100 до 0°C? Какое количество энергии выделится, если вместо воды взять столько же пара при 100°C?

Всё это верно при атмосферном давлении.

Задание 1. По таблице 6 определите, у какого из веществ при обращении из жидкого состояния в пар внутренняя энергия увеличивается сильнее. Ответ обоснуйте.

При изменении давления этот вывод может быть неверен.

Задание 2. Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору). Как образуется роса, иней, дождь и снег. Круговорот воды в природе. Литьё металлов.

При остывании жидкого металла и его кристаллизации выделяется тепло кристаллизации, равное теплоте плавления данного вещества.

Испарение и конденсация: особенности процесса

Испарение и конденсация — что это за процессы в физике

Определение

Парообразование представляет собой явление превращения вещества из жидкого состояния в газообразное.

Процессы парообразования классифицируют на два типа:

Жидкость может испаряться с поверхности в любых температурных условиях. К примеру, высыхание лужи можно наблюдать, когда температура окружающей среды составляет 10, 20 или 30 °C. Исходя из этого, можно сформулировать физическое определение процесса испарения.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Определение

Испарение является процессом, при котором вещество переходит из жидкого состояние в газообразное с поверхности жидкости при любой температуре.

В процессе испарения молекулы высвобождаются из жидкости. При этом энергия жидкого вещества уменьшается вместе с понижением температуры. Практическим подтверждением таких изменений являются ощущения человека после купания. После выхода из водоема чувствуется холод. При этом, если наблюдается ветреная погода, то испарение протекает интенсивнее, и становится холоднее, чем при отсутствии ветра.

Примечание

Испарение характерно не только для жидкостей, но и для твердых тел. В качестве пояснения можно привести пример испарения льда. Это подтверждает процесс высыхания белья после стирки на морозе. Запах нафталина объясняется его испарением. Во время тушения пожаров применяют легко испаряющиеся жидкости.

Процесс испарения жидкости объясняет молекулярно-кинетическая теория. Молекулы вещества, находящегося в жидком состоянии, непрерывно перемещаются с разными скоростями. Определенные из них, обладающие самой большой скоростью и расположенные на границе поверхности жидкости и воздуха, со сравнительно большой энергией способны преодолеть притяжение соседних молекул, и покинуть жидкость. В результате образуется пар.

В связи с тем, что в процессе испарения жидкость покидают молекулы с большей внутренней энергией по сравнению с остальными, средняя скорость и средняя кинетическая энергия жидкости уменьшаются, за счет чего вещество остывает.

Скорость, с которой испаряется жидкость, определяется ее родом. Например, эфир переходит в газообразное состояние быстрее, чем вода или растительное масло. Также на скорость испарения влияет движение воздуха над поверхностью жидкости. Практически это можно проверить с помощью сушки вещей на открытом воздухе. Если на улице ветрено, белье высыхает быстрее.

Скорость, с которой испаряется жидкость, определяется ее температурой. В качестве примера можно рассмотреть воду, которая при 30 °C испарится быстрее, чем та же вода при температуре в 10 °C. Если воду налить в блюдце, то процесс ее испарения будет протекать быстрее по сравнению с испарением воды в стакане. Следовательно, на показатель скорости испарения оказывает влияние площадь поверхности жидкости.

Определение

Кипение является процессом интенсивного парообразования, протекающим в условиях нагрева жидкости, не только с поверхности, но и внутри нее.

Кипение представляет собой отдельный вид парообразования. Каждое вещество обладает определенной температурой кипения. В процессе испарения можно наблюдать не только образование пара, но и трансформацию молекул вещества из парообразного состояния в жидкое.

В качестве примера рассмотрим опыт с водой в стеклянной колбе. При повышении температуры жидкости спустя некоторое время возникают пузырьки. Они содержат воздух и насыщенный водяной пар, образованный в результате испарения воды внутри пузырьков. С повышением температуры можно наблюдать повышение давления внутри пузырьков, которые движутся вверх под действием выталкивающей силы.

В верхнем слое воды температура меньше, чем в нижнем. В пузырьках начинает происходить конденсация пара, что способствует уменьшению их объема. При равномерном нагреве воды пузырьки с паром поднимаются на поверхность и лопаются, после чего пар высвобождается во внешнюю среду. Вода кипит. Процесс протекает при определенной температуре, когда давление насыщенного пара в пузырьках равно атмосферному давлению.

Температура, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Данный параметр определяется атмосферным давлением. Если оно повышается, то температура кипения будет выше. Опытным путем доказано, что при кипении температура жидкости сохраняет стабильное значение, несмотря на поступлении энергии из внешней среды.

Жидкость трансформируется в пар при кипении, что обусловлено отдалением молекул друг от друга и преодолением ими взаимного притяжения. Работа в этом случае совершается за счет подводимой к жидкости энергии.

Процесс заканчивается, когда весь объем жидкости будет преобразован в пар. Так как температура жидкости и пара во время кипения одинаковая, средняя кинетическая энергия молекул остается стабильной. В этом случае увеличивается только их потенциальная энергия.

На графике можно проследить взаимосвязь между температурой воды и временем при ее нагреве от комнатной температуры до температуры кипения (АБ), кипении (БВ), нагревании пара (ВГ), охлаждении пара (ГД), конденсации (ДЕ) и последующего охлаждения (ЕЖ).

Определение

Конденсация является процессом превращения пара в жидкость.

При конденсации пара выделяется энергия. В окружающем мире можно наблюдать данное явление, когда в вечернее время летом при понижении температуры воздуха выпадает роса. Она представляет собой водяной пар, который содержится в воздухе. В процессе охлаждения пар конденсируется, и капли воды оседают на траве.

Конденсация протекает в одно время с испарением. Молекулы, которые покидают жидкость и находятся над ее поверхностью, движутся хаотично. При столкновении с соседними молекулами в определенный момент времени они приобретают скорость, направленную к поверхности жидкости, и возвращаются в жидкую среду.

В открытом сосуде вещества испаряются быстрее, чем происходит конденсация. При этом жидкость теряет в массе. Пар, который формируется над поверхностью жидкости, является ненасыщенным.

При помещении жидкости в закрытый сосуд поначалу количество покинувших ее молекул превышает число вернувшихся обратно. Со временем плотность пара, находящегося над жидкостью, повышается да такого значения, что число молекул, которые высвобождаются из жидкости, становится равным числу молекул, вернувшихся в жидкость. При этом наступает динамическое равновесие жидкости с ее паром.

В состоянии динамического равновесия пар является насыщенным. Когда резервуар с жидкостью и насыщенным паром нагревают, возрастает количество молекул, покидающих жидкость. Постепенно оно становится больше, чем число молекул, возвращающихся в жидкую среду.

Со временем равновесие восстанавливается, однако увеличиваются показатели плотности и давления пара, находящегося над жидкостью. В качестве примеров конденсации можно привести:

• облака;
• запотевшие окна и краны, по которым течет холодная вода;
• туман у носика чайника.

Влажность воздуха

Воздух при любых условиях содержит водяной пар, который образован в результате испарения воды. Влажность характеризует концентрацию водяного пара в воздухе.

Определение

Абсолютная влажность воздуха \((\rho)\) представляет собой массу водяного пара, который содержится в 1 м³ воздуха, или является плотностью водяного пара, содержащегося в воздухе.

В том случае, когда относительная влажность воздуха составляет \(9,41*10^ kg/m^\) , в 1 м³ содержится \(9,41*10^ kg\) водяного пара. Относительная влажность – это величина, которая характеризует степень влажности воздуха.

Определение

Относительная влажность воздуха \((\varphi)\) является величиной, равной отношению плотности \((\rho)\) , которой обладает водяной пар, содержащийся в воздухе, к плотности насыщенного водяного пара \(\rho _\) при этой температуре.

Формула расчета относительной влажности имеет вид:

Температура, при которой водяной пар, содержащийся в воздухе, становится насыщенным, является точкой росы. Влажность измеряют с помощью психрометра, который состоит из влажного и сухого термометров. По показаниям этим приборов можно определить по таблице относительную влажность воздуха.

Процесс образования пара, что при этом происходит

В процессе испарения молекулы покидают жидкость, а также уносят с собой часть ее внутренней энергии. Известно, что температура оказывает влияние на скорость, с которой движутся молекулы. При одинаковой температуре скорость молекул, расположенных рядом, может несильно отличаться.

Однако определенная часть молекул будет перемещаться так быстро, что способна преодолеть притяжение других молекул, и покинуть жидкость. Данные молекулы испаряются, унося с собой энергию. Испарение является эндотермическим процессом, то есть протекает с поглощением энергии, которая высвобождается вместе с молекулами.

В результате потерь тепловой энергии в процессе испарения жидкость остывает. При повышении скорости испарения температура понижается сильнее. В том случае, когда жидкость испаряется медленно, тепловые потери восполняются. Это объясняется частичной отдачей тепловой энергии молекулами окружающего воздуха молекулам жидкости, что исключает значительное понижение ее температуры.

От чего зависит скорость испарения

Скорость испарения зависит от нескольких факторов. К ним относят:

• силу притяжения молекул к соседним, что определяется родом вещества;
• площадь поверхности жидкости;
• движение воздуха над поверхностью вещества;
• температуру.

Известно, что жидкости испаряются с неодинаковой скоростью. К примеру, вода будет испаряться медленнее, чем ацетон, так как сила притяжения молекул воды друг к другу больше, чем аналогичный показатель, характерный для молекул ацетона.

Примечание

В физике принято говорить не о силе притяжения молекул, а об их потенциальной энергии взаимодействий. Данная формулировка применима для описания процесса испарения веществ.

Скорость испарения также определяется движением воздуха над ее поверхностью. Некоторые молекулы, которые испаряются, не обладают запасом кинетической энергии. Такие молекулы находятся вблизи вещества и возвращаются через какое-то время обратно. Если дует ветер, то такие молекулы улетают без возможности вернуться назад. Таким образом, скорость испарения жидкости увеличивается.

Известно, что молекулы испаряются с поверхности. В связи с этим, испарение веществ происходит быстрее, если площадь поверхности больше.

Жидкости испаряются, независимо от температуры. При нагреве процесс ускоряется. Это связано с ростом числа молекул, которые обладают энергией, достаточной для высвобождения из вещества. Когда температура повышается, увеличивается количество молекул с кинетической энергией, превышающей потенциальную энергию взаимодействия молекул с соседними молекулами.

Какое количество теплоты выделяется

Вещества трансформируются из жидкого состояния в газообразное с неодинаковыми затратами энергии. Данная величина определяется, как удельная теплота парообразования.

Определение

Удельная теплота парообразования (L) является величиной, равной отношению количества теплоты, которое нужно сообщить веществу массой 1 кг, для превращения его из жидкого состояния в газообразное при температуре кипения.

В СИ удельная теплота парообразования обозначается, как L, и измеряется в Дж/кг.

Вычислить количество теплоты Q, необходимое для того, чтобы вещество с массой m превратилось из жидкости в газ, можно путем умножения удельной теплоты парообразования L на массу вещества:

В процессе конденсации пара будет выделено некоторое количество теплоты. Ее величина равна количеству теплоты, которое необходимо израсходовать для того, чтобы превратить жидкость в пар при той же температуре.

Насыщенный, ненасыщенный и перенасыщенный пар

Определение

Паром жидкости называют газообразное состояние данной жидкости.

Над жидкостью всегда присутствуют ее пары, образованные в результате испарения этой жидкости. Благодаря диффузии, молекулы частично возвращаются обратно в вещество.

Определение

Ненасыщенный пар образуется в том случае, когда количество молекул, высвобождающихся из жидкости, больше числа молекул, вернувшихся в жидкость за тот же промежуток времени.

Определение

Насыщенный пар является паром, который находится в равновесии со своей жидкостью.

Пар насыщенный, если количество молекул, которые покинули жидкость в течение определенного времени, равно числу молекул, вернувшихся в жидкость за это же время. В этом случае допустимо говорить о динамическом равновесии пара и жидкости.

Получить насыщенный пар можно опытным путем, например, при ограничении объема над поверхностью воды. В таком случае процесс может длиться только до определенного момента. Когда пар становится насыщенным, то большей концентрации молекул (значит, и давления) насыщенного пара при той же температуре достичь нельзя.

Таким образом, давление насыщенного пара обладает единственным значением, которое определяется лишь его температурой. При уменьшении насыщенного пара в объеме при стабильной температуре происходит конденсация пара в жидкость, в связи с тем, что концентрация частиц и давления пара достигают максимального значения.

Особенность пара состоит в том, что его давление р не превышает давление насыщенного пара \(p_\) , то есть \(p\leq p_\) . Давление \(p_\) определяется лишь температурой. Данное значение можно взять из справочника. Когда \(p< p_\) , пар является ненасыщенным, а при \(p= p_\) – насыщенным.

В любых процессах пар рассматривают в виде трехатомного газа. Тогда i, то есть число степеней свободы у молекул пара, равно 6. Молярная емкость \(c_\) при стабильном объеме составляет 3R. Тога внутренняя энергия пара равна:

где \(\nu\) является количеством моль пара.

Если рассмотреть какой-то объем пара, запертый в резервуаре под поршнем, то при отводе и подводе тепла ненасыщенный пар будет вести себя, как обычный газ. Его масса будет оставаться стабильной в отличие от массы насыщенного пара, которая может изменяться.

В случае ненасыщенного пара применимы законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля, а для насыщенного – нет. Можно рассмотреть поведение пара при различных условиях на практических примерах.

Имеется некий закрытый сосуд объемом 0,5 л при температуре \(^\circ C\) , в котором находятся в равновесии пары воды и капля воды. Необходимо вычислить массу водяного пара в сосуде. Следует учесть, что при температуре \(^\circ C\) давление насыщенного пара соответствует атмосферному, поэтому \(p=^5\) Па. Уравнение Менделеева-Клапейрона имеет вид:

По аналогии с молярной массой воды можно определить молярную массу водяного пара:

Можно перевести единицы в систему СИ, тогда:

объем сосуда \(V=0,5\ l=5\cdot ^\ m^3\)

температура пара \(T=373\ K\)

В таком случае, водяной пар обладает массой:

В другом примере рассматривается сосуд объемом 1 л при температуре \(^\circ C\) , в котором находятся в равновесии вода, водяной пар и азот. Объем жидкой воды намного меньше, чем объем резервуара. Давление в сосуде равно 300 кПа, атмосферное давление составляет 100 кПа. Необходимо вычислить общее количество пара, парциальное давление азота в системе, массу водяного пара, массу азота.

В первую очередь следует обратиться к уравнению Менделеева-Клапейрона для водяного пара и азота:

Исходя из этого, можно рассчитать общее количество вещества в газообразном состоянии:

Необходимо перевести величины в СИ:

давление в сосуде \(p=300\ kPa=3\cdot ^5\ Pa\)

температура \(T=373\ K\)

Согласно закону Дальтона, давление в сосуде равно:

Исходя из этого, парциальное давление азота:

При температуре \(^\circ C\) давление насыщенного пара такое же, как атмосферное:

Масса водяного пара:

Молярная масса водяного пара:

Молярная масса азота:

Перенасыщенным или пересыщенным паром называют пар, который получается из насыщенного при увеличении давления при стабильной температуре.

Перенасыщенный пар получают двумя методами:

• повышение давления;
• охлаждение насыщенного пара.

Пересыщенный пар является метастабильным. Данное понятие означает то, что пар остается в стабильном состоянии в течение длительного времени. Однако при изменении температуры снижается давление, и начинается конденсация. В результате пар становится насыщенным, то есть устанавливается динамическое равновесие.

Описание процесса перехода пара в жидкость, формула

В процессе конденсации пар превращается в жидкость. При этом количество частиц вещества, которые возвращаются в жидкость в течение определенного времени, превышает число молекул, высвобождающихся из жидкости. Испарение и конденсацию можно наблюдать повсеместно.

К примеру, когда вода испаряется с поверхности водной оболочки планеты (гидросферы), почвы и растений, в воздухе в любое время будет содержаться водяной пар. В процессе его конденсации формируются облака, и выпадают осадки.

Над свободной поверхностью постоянно присутствуют ее пары. В том случае, когда резервуар с жидкостью открыт, при стабильной температуре концентрация молекул пара изменяется, уменьшаясь и увеличиваясь. В замкнутом пространстве при определенной температуре процесс испарения протекает до некого момента.

Это обусловлено одновременным испарением и переходом водяного пара в жидкость. Таким образом, при повышении температуры, плотность и давление насыщенного пара также увеличиваются. Примерную зависимость данных показателей описывает уравнение состояния идеального газа:

Давление насыщенного пара при стабильном объеме увеличивается из-за роста температуры жидкости и повышения концентрации молекул пара, его плотности и массы. Поэтому рассматриваемая зависимость является приближенной.

В начальный момент времени скорость роста давления насыщенного пара больше, чем аналогичный показатель идеального газа. При испарении всей жидкости пар перестает быть насыщенным, а его давление при стабильном объеме увеличивается прямо пропорционально температуре.

Из этого следует, что при неизменной температуре давление и плотность насыщенного пара не определяется занимаемым им объемом. Давление и плотность насыщенного пара при определенной температуре являются максимальными для пара, находящегося в динамическом равновесии со своей жидкостью.

Когда объем ненасыщенного пара уменьшается, давление растет так же, как изменяется давление при уменьшении объема идеального газа. По достижению некого объема пар становится насыщенным. Дальнейшее сжатие приводит к превращению пара в жидкость. Когда весь пар трансформируется в жидкость, последующее уменьшение объема спровоцирует резкий рост давления, так как жидкости плохо сжимаются.

При температуре, превышающей некоторое значение, при любом сжатии пар не превратиться в жидкость. Таким образом, переход вещества из газообразного состояния в жидкое возможен не при любой температуре. Максимальная температура, при которой пар еще может превратиться в жидкость, называется критической температурой. Для каждого вещества характерна определенная критическая температура.

Примечание

Если температура вещества выше, чем критическая, то его состояние называют газом. Когда температура вещества ниже, чем критическая, пар может перейти в жидкое состояние. В таком случае он называется паром.

Примерную зависимость между давлением насыщенного пара и его плотностью описывают формулой:

Где применяются процессы испарения и конденсации

Данные процессы активно применяются в технике и широко распространены в природе. На тепловых электростанциях вода превращается в пар, вращающий турбину. Отработанный пар после конденсации применяют для отопления разных объектов.

С помощью испарения сушат древесину, ягоды, разные материалы. Конденсация нередко используется для очистки воды. При этом грязную воду трансформируют в пар. Другие популярные области использования рассматриваемых процессов:

• организация холодильного процесса в холодильниках;
• снижение температуры воды в градирнях;
• разделение веществ в ректификационной колонне;
• сушка воздуха.

Процесс испарения активно используется в энергетике, холодильной технике, сушильном оборудовании, испарителях. К примеру, спускаемые аппараты в космической технике покрыты веществами, которые способы быстро испаряться. За счет испарения происходит охлаждение корпуса аппарата, когда он преодолевает слои атмосферы.

В природе можно наблюдать масштабное явление под названием круговорот воды. Следует отметить, что влажность воздуха влияет на здоровье человека. Данный показатель контролируют и регулируют при хранении книг, картин, овощей, фруктов, продуктов питания, древесины.

Идея процессов испарения и конденсации лежит в основе устройства дистиллятора. С его помощью получают химически чистую воду, которую, к примеру, используют для заливки автомобильных аккумуляторов. Перенасыщенный пар используют в камере Вильсона, что позволяет визуализировать и фотографировать частицы для изучения их поведения.

Насколько полезной была для вас статья?

Физика

На предыдущих уроках мы знакомились с элементарными электрическими понятиями и принципами, в частности, мы говорили об электризации – явлении перераспределения заряда. Разговор о более глубоком исследовании этого явления начнем с опыта.

Изначально пусть нам даны две разные по размеру изолированные банки, подключенные к электроскопу (рис. 1):

Теперь к каждой из банок поднесли одинаково заряженное тело. Естественно, с каждой банкой произойдет процесс электризации, и стрелки обоих электроскопов разойдутся. Однако оказалось, что электроскоп большей банки показал меньшее отклонение (рис. 2):

Данный опыт доказывает, что различные тела электризуются одним и тем же зарядом по-разному (конкретно большая банка одним и тем же зарядом зарядилась до меньшего потенциала). И существует некоторая величина, которая показывает способность тела накапливать электрический заряд. Собственно, о ней и пойдет речь.

Определение. Электроемкость (емкость) – величина, равная отношению заряда переданного проводнику к потенциалу этого проводника.

Здесь: – емкость; – переданный заряд; – потенциал, до которого зарядился проводник.

Электроемкость шара

Для того чтобы оценить насколько велика емкость в 1 Ф, возьмем в качестве накапливающего заряд тела проводящий шар и выведем зависимость его емкости от его размеров.

Из предыдущего урока мы знаем формулу для определения потенциала шара:

Подставим теперь её в определение емкости:

Давайте рассмотрим случай в вакууме или же в воздухе (). Каковы же должны быть размеры шара, чтобы его емкость равнялась 1 Ф?

Для сравнения радиус Земли равен:

Конденсаторы

Теперь непосредственно познакомимся со специализированными приборами для накопления зарядов.

Определение. Конденсатор – набор проводников, служащий для накопления электрического заряда. Конденсаторы состоят из двух проводников и разделяющего их диэлектрика, причем толщина диэлектрического слоя много меньше размеров проводников (рис. 3).

Рис. 3. Схематическое изображение конденсатора (Источник)

Особое внимание мы будем уделять так называемым плоским конденсаторам (слой диэлектрика расположен между двумя плоскими пластинами проводника). На электрической схеме конденсатор обозначается следующим образом (рис. 4):

Рис. 4. Условное обозначение конденсатора на электрической схеме

Емкость конденсатора определяется так же, как и любая другая электроемкость, однако с небольшим отличием (так как речь идет о системе проводников, а не о отдельно взятом проводнике, в формуле фигурирует не потенциал, а разность потенциалов или напряжение)

Здесь: – заряд на обкладках конденсатора (так называются проводники, из которых состоит конденсатор); – напряжение между обкладками конденсатора.

Единица измерения емкости: Ф – фарад

Однако, конечно же, емкость конденсатора – не постоянная величина, она зависит от конструкторских особенностей самого конденсатора. В случае плоского конденсатора эта зависимость имеет следующий вид:

Здесь: – диэлектрическая проницаемость среды; – электрическая постоянная; – площадь обкладки конденсатора; – расстояние между обкладками.

В конденсаторах роль диэлектрической прослойки, как правило, выполняет пропитанная соответствующим составом бумага, расположенная между двумя тонкими листами металла (рис. 5).

Рис. 5. Устройство конденсатора (Источник)

Конденсаторы можно разделить на три основных типа:

Конденсатор постоянной емкости – это свернутая в рулон упомянутая выше трехслойная лента (две ленты проводника и лента диэлектрика между ними). Конденсаторы переменной емкости – приборы, используемые в радиотехнике, позволяющие регулировать параметры, от которых зависит емкость – ширина пластин и расстояние между ними (рис. 6). Батарея же конденсаторов – это несколько конденсаторов, связанных по определенной схеме.

Рис. 6. Модель конденсатора переменной емкости (Источник)

Соединение конденсаторов

Иногда не получается найти конденсатор нужной конфигурации, тогда приходится составлять блоки из нескольких конденсаторов. Соединить два или более конденсатора можно двумя различными способами: параллельно или последовательно.

Параллельное соединение (рис. 7):

Рис. 7. Параллельное соединение конденсаторов

Так как выходы источника питания подсоединены одновременно к обкладкам всех конденсаторов, то потенциалы всех обкладок равны, металл является эквипотенциальной поверхностью:

Заряды на обкладках параллельно соединенных конденсаторов суммируются:

Разделив второе равенство на напряжение (любое, так как они равны) и воспользовавшись определением емкости конденсатора, получим:

Последовательное соединение (рис. 8):

Рис. 8. Последовательное соединение конденсаторов

Так как две обкладки соседних конденсаторов являются одной деталью, отрезанной от остальных проводников, по закону сохранения заряда, сумма их зарядов должна оставаться равной нулю, а значит, они равны по модулю, но противоположны по знаку, поэтому:

Падение же напряжения на всем участке складывается из падений напряжения на каждом конденсаторе:

Теперь, разделив второе равенство на заряд (любой, так как они равны) и воспользовавшись определением емкости конденсатора, получим:

Энергия конденсаторов

Конденсатор – прибор для накопления заряда, и проводники, на которых накапливается заряд, создают между собой электрическое поле, а значит, конденсатор обладает некоторой энергией. Энергия конденсатора, по закону сохранения энергии, должна быть равна работе, выполненной по разделению зарядов.

Как мы уже знаем, работа по перемещению заряда в поле равна:

Здесь: – заряд; – напряженность; – модуль перемещения.

И теперь, если рассмотреть наш случай поля конденсатора, получается, что напряженность создается одновременно двумя обкладками, и для рассмотрения одной обкладки мы должны записать

Рис. 9. Однородное поле конденсатора

Воспользовавшись теперь формулой связи напряженности и напряжения из прошлого урока:

Формула для энергии конденсатора принимает вид:

Использовав в этой формуле формулу определения емкости конденсатора, можно получить еще две формы записи для энергии:

Этот урок завершает тему электростатики. Следующий будет посвящен уже электрическому току.

Список литературы

1. Тихомирова С. А., Яворский Б. М. Физика (базовый уровень) – М.: Мнемозина, 2012.
2. Генденштейн Л. Э., Дик Ю. И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В. А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «Physics.ru» (Источник)
2. Электротехника (Источник)
3. Интернет-портал «Physics.kgsu.ru» (Источник)

Домашнее задание

1. Стр. 96-98: № 750–755. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А. П. – М.: Дрофа, 2013. (Источник)
2. Во сколько раз изменится емкость конденсатора, если листовую слюду заменить парафином той же толщины?
3. Какую площадь должны иметь пластины плоского конденсатора, для того чтобы его электроемкость была равна 1 пФ? Расстояние между пластинами – 0,5 мм.
4. Емкость одного конденсатора больше емкости другого в 4 раза, на какой конденсатор нужно подать большее напряжение, чтобы их энергии стали одинаковыми, во сколько раз больше?
5. * Почему большой заряд не может удержаться на сфере маленького радиуса?

Физика

Урок 10: Влажность воздуха. Способы определения влажности воздуха

• Видео
• Тренажер
• Теория

Насыщенный пар, влажность воздуха

Сегодняшний урок мы посвятим обсуждению такого понятия, как влажность воздуха, и методам ее измерения. Основным явлением, влияющим на влажность воздуха, будет процесс испарения воды, о котором мы уже говорили ранее, а важнейшим понятием, которое мы будем использовать, будет насыщенный и ненасыщенный пар.

Если выделять различные состояния пара, то они будут определяться тем, в каком взаимодействии пар находится со своей жидкостью. Если представить, что некоторая жидкость находится в закрытом сосуде и происходит процесс ее испарения, то рано или поздно этот процесс придет к состоянию, когда испарение в равные промежутки времени будет компенсироваться конденсацией и наступит так называемое динамическое равновесие жидкости со своим паром (рис. 1).

Рис. 1. Насыщенный пар

Определение. Насыщенный пар – это пар, находящийся в термодинамическом равновесии со своей жидкостью. Если же пар не насыщенный, то такого термодинамического равновесия нет (рис. 2).

Рис. 2. Ненасыщенный пар

С помощью этих двух понятий мы и будем описывать такую важную характеристику воздуха, как влажность.

Определение. Влажность воздуха – величина, указывающая на содержание в воздухе водяного пара.

Возникает вопрос: почему же понятие влажности является важным для рассмотрения и каким образом водяные пары попадают в воздух? Известно, что большую часть поверхности Земли занимает вода (Мировой океан), с поверхности которой непрерывно происходит испарение (рис. 3). Безусловно, в различных климатических зонах интенсивность этого процесса различна, что зависит от среднесуточной температуры, наличия ветров и т. п. Эти факторы обуславливают тот факт, что в определенных местах процесс парообразования воды более интенсивен, чем ее конденсация, а в некоторых – наоборот. В среднем же можно утверждать, что пар, который образуется в воздухе, не является насыщенным, и его свойства необходимо уметь описывать.

Рис. 3. Испарение жидкости (Источник)

Для человека величина влажности является очень важным параметром окружающей среды, т. к. наш организм очень активно реагирует на ее изменения. Например, такой механизм регуляции функционирования организма, как потоотделение, напрямую связан с температурой и влажностью окружающей среды. При высокой влажности процессы испарения влаги с поверхности кожи практически компенсируются процессами ее конденсации и нарушается отвод тепла от организма, что приводит к нарушениям терморегуляции. При низкой влажности процессы испарения влаги превалируют над процессами конденсации и организм теряет слишком много жидкости, что может привести к обезвоживанию.

Величина влажности важна не только для человека и других живых организмов, но и для протекания технологических процессов. Например, из-за известного свойства воды проводить электрический ток ее содержание в воздухе может серьезно влиять на корректную работу большинства электроприборов.

Кроме того, понятие влажности является важнейшим критерием оценивания погодных условий, что всем известно из прогнозов погоды. Стоит отметить, что если сравнивать влажность в различные времена года в привычных для нас климатических условиях, то она выше летом и ниже зимой, что связано, в частности, с интенсивностью процессов испарения при различных температурах.

Абсолютная влажность воздуха

Основными характеристиками влажного воздуха являются:

1. плотность водяного пара в воздухе;
2. относительная влажность воздуха.

Воздух является составным газом, в нем содержится множество различных газов, в том числе водяной пар. Для оценивания его количества в воздухе необходимо определить, какую массу имеют водяные пары в определенном выделенном объеме – такую величину характеризует плотность. Плотность водяного пара в воздухе называют абсолютной влажностью.

Определение. Абсолютная влажность воздуха – количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха.

Обозначение абсолютной влажности: (как и обыкновенное обозначение плотности).

Единицы измерения абсолютной влажности: (в СИ) или (для удобства измерения небольшого содержания паров воды в воздухе).

Формула вычисления абсолютной влажности:

Обозначения:

масса пара (воды) в воздухе, кг (в СИ) или г;

объем воздуха, в котором указанная масса пара содержится, .

С одной стороны, абсолютная влажность воздуха является понятной и удобной величиной, т. к. дает представление о конкретном содержании воды в воздухе по массе, с другой стороны, эта величина неудобна с точки зрения восприимчивости влажности живыми организмами. Оказывается, что, например, человек ощущает не массовое содержание воды в воздухе, а именно ее содержание относительно максимально возможного значения.

Относительная влажность воздуха

Для описания такого восприятия введена такая величина, как относительная влажность.

Определение. Относительная влажность воздуха – величина, показывающая насколько далек пар от насыщения.

Т. е. величина относительной влажности, простыми словами, показывает следующее: если пар далек от насыщения, то влажность низкая, если близок – высокая.

Обозначение относительной влажности: .

Единицы измерения относительной влажности: %.

Формула вычисления относительной влажности:

Обозначения:

плотность водяного пара (абсолютная влажность), (в СИ) или ;

плотность насыщенного водяного пара при данной температуре, (в СИ) или .

Конденсационный гигрометр

Как видно из формулы, в ней фигурируют абсолютная влажность, с которой мы уже знакомы, и плотность насыщенного пара при той же температуре. Возникает вопрос, каким образом определять последнюю величину? Для этого существуют специальные приборы. Мы рассмотрим конденсационныйгигрометр (рис. 4) – прибор, который служит для определения точки росы.

Определение. Точка росы – температура, при которой пар становится насыщенным.

Рис. 4. Конденсационный гигрометр (Источник)

Внутрь емкости прибора наливается легкоиспаряющаяся жидкость, например, эфир, вставляется термометр (6) и с помощью груши (5) через емкость прокачивается воздух. В результате усиленной циркуляции воздуха начинается интенсивное испарение эфира, температура емкости из-за этого понижается и на зеркале (4) выступает роса (капельки сконденсировавшегося пара). В момент появления на зеркале росы с помощью термометра замеряется температура, вот эта температура и является точкой росы.

Что же делать с полученным значением температуры (точки росы)? Существует специальная таблица, в которой занесены данные – какая плотность насыщенного водяного пара соответствует каждой конкретной точке росы. Следует отметить полезный факт, что при увеличении значения точки росы растет и значение соответствующей ей плотности насыщенного пара. Иными словами, чем теплее воздух, тем большее количество влаги он может содержать, и наоборот, чем воздух холоднее, тем максимальное содержание в нем пара меньше.

Волосной гигрометр

Рассмотрим теперь принцип действия других видов гигрометров, приборов для измерения характеристик влажности (от греч. hygros – «влажный» и metreo – «измеряю»).

Волосной гигрометр (рис. 5) – прибор для измерения относительной влажности, в котором в качестве активного элемента выступает волос, например человеческий.

Рис. 5. Волосной гигрометр (Источник)

Действие волосного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха (при увеличении влажности длина волоса увеличивается, при уменьшении – уменьшается), что позволяет измерять относительную влажность. Волос натянут на металлическую рамку. Изменение длины волоса передается стрелке, перемещающейся вдоль шкалы. При этом следует помнить, что волосной гигрометр дает не точные значения относительной влажности, и используется преимущественно в бытовых целях.

Психрометр

Более удобен в использовании и точен такой прибор для измерения относительной влажности, как психрометр (от др.-греч. ψυχρός – «холодный») (рис. 6).

Психрометр состоит из двух термометров, которые закреплены на общей шкале. Один из термометров называется влажным, т. к. он обмотан батистовой тканью, которая погружена в резервуар с водой, расположенный на тыльной стороне прибора. С влажной ткани испаряется вода, что приводит к охлаждению термометра, процесс снижения его температуры длится до достижения этапа, пока пар вблизи влажной ткани не достигнет насыщения и термометр не начнет показывать температуру точки росы. Таким образом, влажный термометр показывает температуру меньше либо равную реальной температуре окружающей среды. Второй термометр называется сухим и показывает реальную температуру.

На корпусе прибора, как правило, изображена еще так называемая психрометрическая таблица (табл. 2). С помощью этой таблицы по значению температуры, которую показывает сухой термометр, и по разности температур между сухим и влажным термометрами можно определить относительную влажность окружающего воздуха.

Однако даже не имея под рукой такой таблицы, можно примерно определить величину влажности, пользуясь следующим принципом. Если показания обоих термометров близки друг к другу, то испарение воды с влажного практически полностью компенсируется конденсацией, т. е. влажность воздуха высокая. Если, наоборот, разность показаний термометров большая, то испарение с влажной ткани превалирует над конденсацией и воздух сухой, а влажность низкая.

Таблицы характеристик влажности

Обратимся к таблицам, которые позволяют определять характеристики влажности воздуха.

Температура,

Давление, мм. рт. ст.

Плотность пара,