Hur många gånger kommer dykarens luftförbrukning att ändras? Fysiska grunder för dyknedgångar. Hydrostatikens och hydrodynamikens lagar

Uppgifter

Lösning.

Lösning.

Exempel

En 20 liters syrgasflaska står under tryck
10 MPa vid 15 ºС. Efter att en del av syret hade förbrukats sjönk trycket till 7,6 MPa och temperaturen sjönk till 10 ºС.

Bestäm mängden syre som förbrukas.

Från den karakteristiska ekvationen (2.5)

Följaktligen, innan syre förbrukades, bestod dess massa

kg,

och efter konsumtion

kg.

Alltså syreförbrukning

ΔМ = М 1 –М 2= 2,673 - 2,067 = 0,606 kg.

Bestäm densiteten och den specifika volymen av kolmonoxid CO vid ett tryck av 0,1 MPa vid en temperatur av 27 ºС.

Den specifika volymen bestäms från den karakteristiska ekvationen (2.6)

m3/kg .

Kolmonoxiddensitet (1,2)

kg/m3.

En cylinder med rörlig kolv innehåller syre vid
t= 80 ºС och vakuum (vakuum) lika med 427 hPa. Vid konstant temperatur komprimeras syret till övertryck
p ut= 1,2 MPa. Barometertryck I= 933 hPa.

Hur många gånger kommer volymen syre att minska?

Svar:V1/V2= 22,96.

I ett rum med en yta på 35 m2 och en höjd av 3,1 m är luften på t= 23 ºС och barometertryck I= 973 hPa.

Hur mycket luft kommer att tränga in från gatan in i rummet om barometertrycket ökar till I= 1013 hPa. Lufttemperaturen förblir konstant.

Svar:M = 5,1 kg .

Ett kärl med en volym på 5 m3 innehåller luft vid barometertryck I= 0,1 MPa och temperatur 300 ºС. Luften pumpas sedan ut tills ett vakuumtryck på 80 kPa bildas i kärlet. Lufttemperaturen efter utpumpning förblir densamma.

Hur mycket luft har pumpats ut? Vad blir trycket i kärlet efter utpumpning om den återstående luften kyls till en temperatur t= 20 ºС?

Svar: 2,43 kg luft pumpades ut. Efter kylning av luften blir trycket 10,3 kPa.

Ångpannans luftvärmare tillförs av en fläkt med 130 000 m 3 /h luft vid en temperatur på 30 ºС.

Bestäm det volymetriska luftflödet vid luftvärmarens utlopp om den värms upp till 400 ºС vid konstant tryck.

Svar:V= 288700 m3/h.

Hur många gånger kommer gasdensiteten i kärlet att ändras om manometerns avläsning vid konstant temperatur minskar från p 1= 1,8 MPa upp till p 2= 0,3 MPa?

Ta ett barometertryck lika med 0,1 MPa.

Svar:

Ett kärl med en volym på 0,5 m3 innehåller luft med ett tryck på 0,2 MPa och en temperatur på 20 ºC.

Hur mycket luft måste pumpas ut ur kärlet så att vakuumet i det blir 56 kPa, förutsatt att temperaturen i kärlet inte ändras? Atmosfärstrycket enligt en kvicksilverbarometer är 102,4 kPa vid en kvicksilvertemperatur i den lika med 18 ºС. Vakuumet i kärlet mättes med en kvicksilvervakuummätare vid en kvicksilvertemperatur på 20 ºС.

Svar: M= 1,527 kg.

Ofta måste vi lösa problem där inte enskilda gaser beaktas, utan deras blandningar. Vid blandning av kemiskt icke-reagerande gaser med olika tryck och temperaturer är det vanligtvis nödvändigt att bestämma blandningens slutliga tillstånd. I detta fall urskiljs två fall (tabell 1).

bord 1

Gasblandning*

	Temperatur, K	Tryck, Pa	Volym, m 3 (volymflöde, m 3 / h)
Blandning av gaser kl V=konst
Blandning av gasflöden**
* - alla ekvationer relaterade till blandning av gaser härleds i frånvaro av värmeväxling med omgivningen; ** - om massflödeshastigheter ( M 1, M 2, …M n, kg/h) blandningsflöden är lika.

Här k i– förhållandet mellan gasernas värmekapacitet (se formel (4.2)).

Gasblandningar förstås som en mekanisk blandning av flera gaser som inte kemiskt interagerar med varandra. Gasblandningens sammansättning bestäms av mängden av varje gas som ingår i blandningen och kan specificeras efter massa m jag eller volymetrisk r jag aktier:

m i = M i / M; r i = V i / V, (3.1)

Var M i- vikt i-te komponenten

V i– partiell eller reducerad volym jag- komponenten;

M, Vär massan respektive volymen av hela blandningen.

Det är uppenbart att

M1 + M2 +…+Mn = M; m 1 + m 2 +…+m n = 1, (3.2)

V 1 + V 2 +…+ Vn = V ;ri + r2 +...+rn = 1, (3.3)

Samband mellan gasblandningstryck R och partiellt tryck av enskilda komponenter p i som ingår i blandningen sätts Daltons lag

Rädslan för att dyka är en av de största mänskliga rädslorna. Det är inneboende även hos dykare med god erfarenhet. Vad är kärnan i denna rädsla? Oftast är detta inte en rädsla för djupets fauna, inte heller en rädsla för tryckfallssjuka. Och även högt djupt tryck, liksom medvetslöshet till följd av hyperventilering, skrämmer oss inte lika mycket som möjligheten att hamna i en dum situation skrämmer oss.

Dykning kräver att vi har många specifika färdigheter. Och när vi ägnar oss åt den här sporten är vi mer rädda för att framstå som felaktiga i andras ögon. Vi är rädda för att vara under deras blick, rädda för deras bedömningar.

Dykning är förstås ingen tävling, men ofta sätter vi själva tonen för det, speciellt när det kommer till personlig erfarenhet och kompetens.

Förmågan att korrekt använda luft under vattnet är ett av tecknen på erfarenhet. Det är genom detta, såväl som genom förmågan att slappna av och kontrollera fenornas flytförmåga, som undervattensskicklighet oftast bedöms. Du kan inte dölja för dina partners bristen på luft och behovet av att flyta till toppen, speciellt när hela gruppen tvingas avbryta dyket på grund av dig. Ingen vill vara den första att ge tummen upp.

Och dessa ständiga skrytsamma jämförelser av vem som har mer luft kvar är också deprimerande...

Och din tryckmätare visade 15 bar. Men du hoppades naturligtvis mot förhoppningen att detta skulle undgå din undervattensguides uppmärksamhet. Och din partner och fru i en person hade en reserv på 90. Och, för att vara helt ärlig, du var redan trött på att tänka med varje dyk att du med största sannolikhet i slutändan skulle behöva låna hennes bläckfisk.

Men du ska inte hänga fenorna på väggen i förtvivlan eller skynda dig att köpa ett par, eftersom dina gener inte predisponerar luftförbrukningen i dina lungor. Effektiv andning är en färdighet. Dessutom är det den viktigaste adaptiva färdigheten vi förvärvar under dykning. Men alla färdigheter kan bearbetas, och andningen är inget undantag.

Redan på ditt nästa dyk har du möjlighet att spara luft.

Så om vår dykare är en man från 30 till 45, med genomsnittlig fysisk kondition, som dyker i varmt vatten med en standard 10 liters aluminiumcylinder och kan andas normalt på ett djup av 22 meter.

Under sådana förhållanden håller cylindern i genomsnitt 20 minuter.

Vårt råd är att öka denna tid med ytterligare 5-17 minuter.

Naturligtvis, om du redan använder några av dessa rekommendationer, kommer lite mindre tid att läggas till.

1. Andningscykeln måste ändras.

Du måste ändra ordningen för att hålla andan. Om vi ​​på land gör en paus när vi andas ut (andas in, andas sedan ut och sedan en paus), sedan under vatten, i en avslappnad dykare, förändras själva andningen på ett sådant sätt att pausen görs omedelbart efter inandningen: andas in, pausa sedan, andas sedan ut, andas in igen och först då - en paus. Längden på pausen vid inandning, såväl som graden av avslappning, skiljer en nybörjare från en erfaren dykare.

En lång paus under avslappnad andning minskar luftförbrukningen. Avslappning hjälper till att undvika barotrauma under en paus, även när du stiger upp till ett grundare djup.

2. Försök att andas djupt.

Ta långsamma, djupa, avslappnade andetag. Du känner till detta axiom från första lektionen, men vad är behovet av en sådan andning?

Under tryck rör sig luften i vårt andningssystem något annorlunda. Och i själva luften, förutom syre, finns det täta gaser. Frekvent andning i en sådan situation tillåter inte att syre absorberas. Du måste sakta ner din andningshastighet för att inte bara trycka luft genom dina andningsorgan, utan för att tillåta syre att tränga in i dina lungor. Och ju djupare du dyker, desto djupare och långsammare bör din andning bli, detta kommer att säkerställa ett normalt syreutbyte.

3. Uppnå långsamhet och avslappning i dina rörelser.

Eftersom vatten är 800 gånger tätare än luft, kommer du inte att kunna röra dig med din normala hastighet under vattnet utan en stor ansträngning. Det betyder att du kommer att använda mer luft. Rör dig mycket långsamt, bli avslappnad och viktlös, som en mime som gör slow motion. Låt dina rörelser vara smidiga, lätta, utan den minsta ansträngning.

Många dykare drar nytta av yoga och olika avslappningstekniker – sådana övningar gör att du kan bromsa din andningshastighet ännu mer.

4. Det är väldigt viktigt att inte göra onödiga rörelser med händerna.

Använd inte armarna när du simmar, utan använd fenorna för att paddla långsamt och medvetet. Var inte som en cyklist som trampar snabbare och hårdare när han klättrar uppför en brant backe. Korsa armarna över bröstet eller ner längs kroppen, eller stoppa in dem bakom ryggen under tanken eller under viktbältet framför. För att uppnå tillståndet av viktlös avslappning som krävs i vårt fall, måste du uppnå neutral flytkraft - en viktig färdighet för att spara luft.

5. Lär dig neutral flytförmåga.

När du har lyckats är du helt orörlig och känns som om du är helt upphängd i vatten. Och det här vattnet runt din kropp håller dig uppe. Detta är en av de mest underbara förnimmelserna, och det är detta som gör våra rörelser under vattnet effektiva.

Standarden för kontroll av ideal flytkraft är som följer: du tar med dig den minimivikt med vilken ett säkerhetsstopp är möjligt på ett djup av 3-5 meter med återstående 30 bar i cylindern, utan luft eller med dess minimum i kompensator. Målet är att bibehålla neutral flytförmåga, oavsett djup, korrigera den endast med andning.

6. Försök att hålla kroppen horisontell.

Nu när du vet hur du väger dig korrekt, med hjälp av en flytkompensator, samtidigt som du är neutralt viktlös, kommer du att kunna röra dig horisontellt i vattnet. Detta är det mest effektiva sättet. Om din kropp är så parallell som möjligt med rörelseriktningen kommer detta att spara luft. Oftast, nybörjare, som rör sig i en vinkel mot rörelsevektorn och dessutom gör många onödiga rörelser, slösar luft och energi improduktivt.

7. Det är nödvändigt att göra i ordning utrustningen och försöka göra den mer strömlinjeformad.

För att minska motståndsnivån mot vattenelementen måste du hålla alla slangar så nära dig som möjligt. Använd en liten cylinder med den volym andningsgas du behöver för ett givet dyk. Effektiviseringen av kompensatorn är av stor vikt, dess lyftkraft måste motsvara de förhållanden som du dyker under.
Det är bättre att placera olika föremål du behöver under dyket i fickorna på kompensatorn.
Det finns ingen anledning att ta ballastvikt, undantaget kommer att vara den belastning som du behöver under ett säkerhetsstopp, på ett djup av 3-5 meter. Det är också möjligt att minska antalet slangar genom att använda en alternativ typ av luftkälla eller uppblåsare, samt en dator med möjlighet att ansluta utan att använda slangar. Ta bara den utrustning du behöver för ditt dyk.

8. Andningsregulatorns betydelse.

Trots den uppenbara lättheten är andning under vatten en ganska svår och tidskrävande uppgift.
Det kräver vissa fysiska utgifter och färdigheter. För att minska belastningen är det nödvändigt att använda en högeffektsregulator, högsta prestanda.
Var noga med att skölja regulatorn noggrant före dykning. Det är viktigt att ta det till tekniska experter en gång var tolfte månad. inspektion, samt varje gång innan du använder regulatorn, om du innan dess inte har använt den på länge. Försök att ställa in andningskontrollerna till maximalt läge, men se till att luft inte kommer ut från cylindern på ett godtyckligt sätt.

9. Tekniker för att spara luft genom att vara på vattenytan.

Stanna på ytan så mycket som möjligt, andas antingen in i ett rör eller blås upp kompensatorn lätt och flyt på ryggen. Effektiviteten av rörelser på vattenytan minskar, men du kommer att ha tillräckligt med luft för att andas. Dykning till grunda djup kräver mindre luft. Du behöver inte surfa ofta för att avgöra var du är, vilket gör att du kan stanna under vattnet längre.

10. Undertryckande av godtycklig luftförlust.

Det finns fall av oundviklig förbrukning av luft, till exempel för att utjämna trycket, blåsa en mask, justera flytkraften, skapa ett luftlager i torrdräkter. När du tar bort regulatorn, slå på luftflödesdämpningsfunktionen, om tillgänglig. Kontrollera munstyckets position; det måste vridas ner. O-ringar på dykutrustning kan också ibland läcka, men vanligtvis kommer endast en minimal mängd luft ut genom dem. Illusionen att du kan använda luft mer ekonomiskt genom att blåsa upp kompensatorn under vatten med munnen är bara en illusion. En kraftpump är mer att föredra och effektiv i detta fall. På ytan är det vettigt att göra detta, samtidigt som de nödvändiga säkerhetsåtgärderna observeras.

11. Mindre belastning, mer besparingar.

Ju mindre du använder dina fenor under vattnet, desto mindre luft kommer du att slösa bort. Använd strömmens kraft, vid dykning och uppstigning, använd flytkontroll, när du rör dig längs botten, använd fingertopparna, förutsatt att detta inte skadar miljön.

12. Håll dig varm.

Ju varmare du är under vattnet, desto mindre luft kommer du att använda. Även i tropikerna, där vattentemperaturen når trettio grader, tappar man mycket värme när man dyker utan våtdräkt. Följaktligen tröttnar du snabbare, börjar andas oftare och ökar därmed din luftförbrukning. Välj utifrån detta en våtdräkt som ger dig det bästa skyddet mot kylan. Det bästa alternativet är en torr våtdräkt komplett med termiska underkläder.

13. Vikten av fysisk kondition.

Att vara i god fysisk form gör att du kan utnyttja syret i luften bättre. Rätt kost, avkoppling utan olika påfrestningar, regelbundna sportaktiviteter, sluta röka och alkohol, allt detta kommer att ge dig möjligheten att uthärda dykning lättare och spara luft.

14. Erfarenhet och utbildningsnivå.

Ju oftare du dyker under vattnet, desto mer förbättrar du dina färdigheter i djupdykning. Olika dykkurser övervakade av erfarna instruktörer kommer att öka din nivå och förståelse för dyktaktik. Utbildning i vatten- och undervattensräddningsinsatser ger dig god fysisk kondition. Allt detta kommer utan tvekan att hjälpa dig att förstå undervattensvärlden, samt lära dig att känna dig lugn och fri under vattnet.

15. Val och drift av fenor.

Enligt olika tester finns det ingen universalfena som passar alla undervattensentusiaster. När du väljer måste du lita på din erfarenhet, fysiska kondition samt färdigheter i att arbeta med fenor.
Principerna för att arbeta med fenor är följande: i vattnet måste du röra dig i horisontell position, slag utförs med ett rakt ben från höften, du bör inte anstränga dig för mycket, vara nervös och göra olika ryck och så på.
Fenor som är stora i storleken och har hög styvhet är inte de mest effektiva, eftersom de skapar onödig stress på benen. När du väljer, ägna den största vikten och uppmärksamheten åt fenornas bekvämlighet.

16. Slappna av.

Detta är huvudhemligheten för att spara andningsresurser. Försök inte hänga med någon.
Människor har olika parametrar: fysiska, psykologiska, metabolism, och så vidare och så vidare. En stor, fysiskt stark, tränad man kommer inte att kunna konkurrera med en miniatyr, skör kvinna när det gäller att spara luft. En kvinna kommer att spendera mycket mindre luft när hon andas än en man, och det finns ingen flykt från detta.
Att förstå dessa enkla regler kan avsevärt minska risken för dykning och dykning.

Kompression av luft i ett kärl nedsänkt i vatten

Tänk på följande situation. En tom, öppen glasflaska sänks ner i vatten till ett djup h.

1. Förklara varför när en flaska sänks ner från botten kommer luften ut ur den i bubblor och flaskan fylls med vatten (Fig. 46.1).

2. Varför sjunker flaskan direkt?

3. Förklara varför när en flaska är nedsänkt upp och ner kommer det inte luft ur den (bild 46.2).

4. Förklara varför när en flaska sänks upp och ner, minskar volymen luft i den med ökande djup.

Låt oss beteckna vattentätheten ρ in, flaskans inre volym V 0, volymen luft som finns i den V luft och atmosfärstrycket p a. Låt oss anta att temperaturen på luften i flaskan förblir konstant.

5. Förklara varför följande ekvation är giltig när en flaska är nedsänkt till ett djup h:

V luft (pa + ρ i gh) = V 0 pa. (1)

6. Hur många gånger kommer luftvolymen i flaskan att minska när den sänks ned till ett djup av 10 m?

7. Hur förändras Arkimedeskraften som verkar på en luftflaska med ökande djup?

8. Förklara varför i detta fall, när man hittar Arkimedeskraften, bör volymen av en kropp nedsänkt i vatten anses vara lika med den totala volymen glas och luft i flaskan.

Vid ett visst nedsänkningsdjup kommer Arkimedes kraft att bli lika med tyngdkraften. När du dyker till ett ännu större djup kommer Arkimedes kraft att vara mindre än tyngdkraften, så flaskan med luft kommer att börja sjunka.

Låt oss ställa frågan: kan tyngdkraften som verkar på luften försummas i jämförelse med tyngdkraften som verkar på flaskan?

9. Hur många gånger är luftmassan i en halvlitersflaska mindre än flaskans massa? Ta flaskans massa till 0,5 kg; Luftdensiteten vid 20 ºС är cirka 1,2 kg/m3.

Så vi ser att luftmassan i flaskan kan försummas med god noggrannhet jämfört med flaskans massa.

Låt oss beteckna glasets densitet ρ с, och volymen av glaset V с.

10. Förklara varför, när en luftflaska helt nedsänkt i vatten är i jämvikt, gäller följande ekvation:

ρ med V med g = ρ i g(V luft + V c). (2)

Ekvationerna (1) och (2) kan betraktas som ett system av två ekvationer med två okända. Till exempel, om värdena för alla kvantiteter som ingår i dessa ekvationer är kända, förutom Vair och h, kan de hittas med dessa ekvationer.

11. En öppen flaska som innehåller luft vid atmosfärstryck sänks ner i vattnet, från botten och upp. Flaskkapacitet 0,5 l, glasvolym 0,2 l, glasdensitet 2,5 gånger vattnets densitet, atmosfärstryck 100 kPa.
a) Hur stor är volymen luft i flaskan när flaskan nedsänkt i vatten är i jämvikt?
b) På vilket djup kommer flaskan att vara?

I den aktuella situationen kan luftmassan försummas, eftersom vid tryck nära atmosfärstrycket är luftens densitet mycket mindre än densiteten av vatten och fasta ämnen.

Men i de fall vi talar om att lyfta laster från stora djup med hjälp av tryckluft kan tryckluftsmassan vara betydande.

Låt oss titta på ett exempel.

12. Utforskare av havets djup upptäckte en sjunken skattkista på 1 km djup. Bröstets vikt är 2,5 ton, volymen är 1 m 3. De band bröstet med en kabel till en stark, tom vattentät påse och började pumpa in luft i påsen tills den började flyta upp tillsammans med bröstet. För att förenkla beräkningarna kommer vi att anta att densiteten av havsvatten är lika med densiteten av sötvatten.Vi kommer att anta att vattnet är inkompressibelt, och volymen på påsskalet är försumbar. Vattentemperaturen på stora djup kan anses vara nära 0 ºС.
a) Är det nödvändigt att ta hänsyn till atmosfärstrycket för att bestämma lufttrycket i påsen?
b) Låt oss beteckna med ρ vattentätheten, m c och m i bröstets massa och luftmassan i påsen, V c och V i bröstets volym och luftvolymen i början av uppstigningen , M in – luftens molära massa, T – vattnets absoluta temperatur. Skriv ner ett system med två ekvationer med två okända (m in och V in), anta att atmosfärstrycket kan försummas.
c) Vad är volymen luft i påsen i det ögonblick då påsen med bröstet började flyta?
d) Hur stor är luftmassan i påsen när påsen med bröstet börjar flyta?
e) Är det möjligt att inte släppa ut luften ur påsen förrän påsen och bröstet flyter upp till ytan?

Luft i ett rör med en kvicksilverkolonn

Det finns luft i ett glasrör förseglat i ena änden. Denna luft skiljs från atmosfärisk luft av en kvicksilverpelare med en längd av l Hg (fig. 46.3).

Låt oss överväga hur längden på den luftfyllda delen av röret beror på rörets position och lufttemperaturen i den. Vi kommer att anta att längden på röret är tillräckligt stor så att kvicksilver inte häller ut ur röret i något läge.

Låt oss beteckna atmosfärstrycket p a, kvicksilverdensiteten ρ rt och längden av den luftfyllda delen av röret, när den är placerad horisontellt betecknar vi l 0.
Låt oss först anta att lufttemperaturen i röret är konstant.

13. Skriv ner en ekvation som relaterar kvantiteterna l rt, l 0 och längden l av den luftfyllda delen av röret när den är placerad:
a) vertikalt med den öppna änden uppåt;
b) vertikalt med den öppna änden nedåt.

14. I det första ögonblicket placeras röret med den öppna änden nedåt. När den vändes upp och ner minskade längden på den luftfyllda delen av röret med 10 %. Hur lång är en kvicksilverpelare om atmosfärstrycket är 760 mm Hg? Konst.?

Låt oss nu överväga fallet när lufttemperaturen i kabinen ändras.

15. I det första ögonblicket är röret med luft och en kvicksilverpelare placerad horisontellt. När den sänktes ner i kokande vatten med den öppna änden uppåt ökade längden på den luftfyllda delen av röret med 20 %. Vad är starttemperaturen för luften i röret om längden på kvicksilverkolonnen är 5 cm? Atmosfärstrycket är 760 mmHg. Konst.

2. Två gaser i en cylinder med en kolv eller baffel

Cylindern är placerad horisontellt

Låt oss först överväga fallet där en cylinder med olika gaser är placerad horisontellt (i figur 46.4 indikeras olika gaser schematiskt med olika färger). I det här fallet kan du ignorera kolvens vikt.

En kolv kan ha olika egenskaper som måste beaktas när man löser problem.

16. Vad kan sägas om trycket och temperaturen hos två gaser separerade av en kolv om det:
a) värmeledande och kan röra sig utan friktion?
b) leder inte värme, men kan röra sig utan friktion?
c) värmeledande, men det är nödvändigt att ta hänsyn till friktionen mellan kolven och kärlets väggar?

17. I en horisontellt placerad cylinder med kolv finns väte och syre på motsatta sidor av kolven.
a) Vad är förhållandet mellan gasvolymerna och mängden ämne i dem om kolven är rörlig och värmeledande?
b) Vad är förhållandet mellan gasvolymer och -massor i detta fall?
c) Hur hänger gasernas volymer, massor och temperaturer ihop om kolven är rörlig men inte leder värme?

Om det sägs att kärlet inte delas av en kolv, utan av en skiljevägg, så antyds det att volymerna av kärlets delar förblir konstanta. Partitionen kan också ha olika egenskaper.

18. Vad kan sägas om temperaturen och partialtrycket för två gaser separerade av en skiljevägg om det:
a) värmeledande?
b) porös (det betyder vanligtvis att molekyler av en gas kan penetrera skiljeväggen, men molekyler från en annan gas inte kan)?

19. Ett värmeisolerat kärl delas i två lika delar av en porös skiljevägg. I det första ögonblicket finns det 2 mol helium på kärlets vänstra sida och 1 mol argon på höger sida. Den initiala temperaturen för helium är 300 K, och den initiala temperaturen för argon är 600 K. Heliumatomer kan fritt penetrera genom porerna i skiljeväggen, men argonatomer kan inte.
a) Spelar det någon roll om mellanväggen leder värme eller inte?
b) Vilka gasatomer har initialt en större genomsnittlig kinetisk energi? Hur många gånger större?
c) Vilken gass inre energi är störst i det initiala ögonblicket? Hur många gånger mer?
d) Förklara varför den genomsnittliga kinetiska energin för atomer av olika gaser är lika efter att ha uppnått termisk jämvikt.
e) Vilken temperatur kommer att vara i kärlet vid termisk jämvikt?
f) Hur många gånger kommer den genomsnittliga kinetiska energin för heliumatomer vid termisk jämvikt att vara större än deras genomsnittliga kinetiska energi i initialtillståndet?
g) Hur kommer heliumtrycket i kärlets vänstra sida att förändras jämfört med det initiala efter att jämvikt har etablerats?
h) Hur kommer argontrycket att förändras jämfört med det initiala efter att jämvikt har etablerats?
i) Trycket i vilken del av kärlet kommer att vara större efter att jämvikt har etablerats? Hur många gånger mer?

Cylindern är placerad vertikalt

Om cylindern är placerad vertikalt (fig. 46.5), är det nödvändigt att ta hänsyn till kolvens vikt, som trycker på gasen som finns i botten av cylindern. På grund av detta är trycket i botten av cylindern större än i toppen. Låt oss titta på ett exempel.

20. Ett vertikalt placerat cylindriskt kärl med höjden l är uppdelat i två delar av en rörlig kolv. I den övre delen med höjd l in finns ν mol helium, och i den nedre delen med höjd l n - samma antal mol väte. Gasernas temperatur förblir hela tiden lika med T. Kolvens massa m, arean S och kolvens tjocklek kan försummas i jämförelse med kärlets höjd.
a) Uttryck trycket i varje del av kärlet i termer av andra kvantiteter. Spelar typen av gas i kärlets delar någon roll?
b) Skriv en ekvation som relaterar gastrycket i varje del av kärlet med kolvens massa och dess area.
c) Vad är kolvens massa om l = 50 cm, ν = 0,22 mol, T = 361 K, l in = 30 cm?
Ledtråd. Använd den ideala gasekvationen för tillstånd.

Ballonglyft

En ballong (Fig. 46.6) kan vara i jämvikt i luften endast om Arkimedeskraften som verkar på den från luften är lika stor som den totala tyngdkraften som verkar på bollen och lasten som hänger från den:

F A = ​​​​F t.sh + F t.gr. (3)

I fallet med en ballong är Archimedes-slammet lika med vikten av den omgivande luften i den volym som upptas av ballongen och dess vikt. Vi har markerat ordet "omgivande" i kursiv stil eftersom densiteten hos atmosfärisk luft ändras under uppgången av två skäl: för det första minskar dess tryck och för det andra minskar dess temperatur.

Låt oss beteckna bollens volym V. Volymen av belastningen och bollens skal försummas vanligtvis jämfört med själva bollens volym, men massorna av belastningen och bollens skal är av stor betydelse! Vi betecknar lastens massa som m g och skalets massa som m vol. Sedan

F t.sh = (m int + m ungefär)g,

där m int är massan av gas som kulan är fylld med.

Låt oss beteckna densiteten för luften som omger bollen som ρ ext, och densiteten för gasen som finns inuti bollen som ρ int.

21. Förklara varför följande ekvationer är sanna:

F A = ​​ρ ext gV,
m intern = ρ intern V,
V(ρ ext – ρ int) = m gr + m vol. (4)

Ledtråd. Använd ekvation (3) och förhållandet mellan massa, volym och densitet.

En ballongs markkraft är vikten av den last som ballongen kan lyfta.

22. Förklara varför lyftmodulen för en ballong uttrycks med formeln

F under = Vg(ρ extern – ρ intern) – m ca g. (5)

Av formlerna (4) och (5) följer att en ballong kan lyfta en last endast om densiteten hos gasen som ballongen är fylld med är mindre än densiteten hos den omgivande luften.

Om bollen var stel kunde detta uppnås genom att delvis pumpa luften ur den: det styva skalet kunde motstå skillnaden i lufttryck inuti och utanför bollen. Skalet på en hård boll skulle dock vara för tungt. Det mjuka skalet, som alltid används till ballonger, klarar inte av någon betydande tryckskillnad. Därför är gastrycket inuti kulan lika med trycket i den omgivande luften.

23. Förklara varför om trycket inuti bollen är lika med trycket i den omgivande luften, så är likheten sann

ρ intern /ρ extern = (M intern * T extern) / (M extern * T intern). (6)

Ledtråd. Använd den ideala gasekvationen för tillstånd.

Från formel (6) är det tydligt att densiteten för gasen som kulan är fylld med kan göras mindre än densiteten för den omgivande luften på två sätt:
– använd uppvärmd luft som en "intern" gas;
– använd en gas med lägre molmassa.

Den första metoden används för nöjesballonger (fig. 46.6), och den andra - för väderballonger (fig. 46.7), som stiger till en stor höjd (i detta fall är ballongen vanligtvis fylld med helium).

24. Förklara varför det av formlerna (5) och (6) följer att modulen för ballongens lyftkraft uttrycks med formeln

? 25. En ballong med en volym på 3000 m3 har ett hål i den nedre delen genom vilket luften inuti ballongen värms upp av en brännare till en temperatur av 77 ºC. Bollen är i jämvikt på en höjd där omgivningstemperaturen är 7 ºC och dess densitet är 1,2 kg/m3. Kulskalets massa är 300 kg. Vad är lastens massa?

Ytterligare frågor och uppgifter

26. Luft pumpas uppifrån in i en ponton som ligger på botten av en sjö på 90 m djup (bild 46.8). När atomvatten tvingas ut ur pontonen genom ett hål i dess nedre del. Vilken volym atmosfärisk luft måste tillföras pontonen så att den kan lyfta lasten, om den totala massan av pontonen med lasten är 20 ton, och den totala volymen av lasten och pontonens väggar är 5 m 3 ? Antag att vattentemperaturen är nära 0 ºС och atmosfärstrycket är 10 5 Pa.

27. I den förseglade armbågen på ett U-format rör finns en luftpelare 30 cm hög, kvicksilvret i båda armbågarna är på samma nivå. Vad blir höjden på luftpelaren om du långsamt tillsätter kvicksilver till toppen? Trycket är lika med normalt atmosfärstryck.

28. En heliumfylld ballong är i jämvikt i luften. Massan av en kvadratmeter av ballongskalet är 50 g, temperaturen på luft och helium är 27 ºС, trycket är lika med normalt atmosfärstryck. Vad är bollens radie?

Noggrann beräkning av dykluft är den näst viktigaste faktorn efter utrustningens oklanderliga tekniska skick. Eftersom denna uppgift har funnits sedan uppfinningen av dykutrustning, har speciella metoder för att beräkna den erforderliga luftvolymen länge utvecklats. Grunden är volymen luft som krävs av en dykare per minut och sedan divideras det resulterande värdet med volymen gas i cylindern.

Dessa beräkningar kompliceras av att luftförbrukningen beror på fysisk aktivitet. Under lugn simning är det mycket mindre än vid intensiv användning av fenor. En annan faktor som också alltid tas med i beräkningen är nedsänkningsdjupet. Ju större djup, desto högre tryck måste luften tillföras. Alla faktorer som beaktas kan representeras som en lista:

1. Cylindervolym.
2. Cylindertryck.
3. Luftförbrukning per minut (betecknad som RMV)
4. Nedsänkningsdjup.

De två första parametrarna kan vara mycket exakta. Deras noggrannhet beror bara på hur väl de matchar den angivna volymen, samt hur noggrant ventilen på pumpen som användes för fyllning justeras. Kompressorn stängs av vid slutet av fyllningen med hjälp av en trycksensor. Den ansvarar för att se till att volymen luft i cylindern exakt motsvarar den deklarerade.

Det svåraste är att beräkna RMV. Exakta data kan endast erhållas experimentellt. Det är precis vad de gör när de tränar dykare. Eleven memorerar tryckmätaravläsningarna under olika dyklägen, drivande med strömmen, uppstigning eller stillastående. Därefter, baserat på erhållen data, härleds en individuell RMV-indikator. Uppgifterna registreras i en tabell med tre kolumner: dyktid och -djup samt tanktryck med hjälp av en tryckmätare. Genom att räkna om trycket i cylindern med volymen (du behöver bara multiplicera indikatorerna) kommer vi att få det exakta värdet på luftförbrukningen per minut och göra korrigeringar för belastning och djup.

Om det inte finns tid för sådana mätningar, som kräver provdyk med en instruktör, tas allmänna indikatorer. De beräknas med en viss marginal, som är nödvändig för att täcka alla individuella funktioner. Så luftförbrukningen på ytan för en dykare som väger 80 kg är 20 - 25 l/min. (I verkligheten något mindre - 16 - 22 l). Kvinnor har ännu mindre luftförbrukning. Därefter görs en korrigering för djupet. När dykdjupet ökar ökar mängden luft som krävs mycket snabbt. Vid 50 meter (maxdjupet för amatördykning) behöver du nästan dubbelt så mycket (cirka 40 l/min.).

Det maximala inandningstrycket skiljer sig för olika blandningar. För syre är det bara 1,3 - 1,4 atm. Av denna anledning krävs speciella blandningar för djuphavsdykning. Vid sammanställning försöker de se till att syrehalten i dem skiljer sig något från den naturliga i vanlig luft. Kvävehalten i djuphavsblandningen minskar också, eftersom om man använder vanlig luft börjar kvävenarkosen redan vid 30 meter. För de djupaste dyken är en helium-syreblandning optimal. Den används nästan aldrig vid amatördykning. Att fylla cylindrar med helium är svårt eftersom det har ultrahög permeabilitet, men när det blandas med syre är denna nackdel nästan eliminerad.

Vid användning av ren luft spelar det också roll var cylindern fylldes. Det finns bara ett huvudkrav här. Luftrenhet är nödvändig. Därför är det bättre med en eldrift. Då är risken för kolmonoxid och överskott av koldioxid minimal. Det är optimalt att cylindrar fylls på på en miljövänlig plats, till exempel på stranden eller på landsbygden.

Atmosfärisk luft och dess egenskaper. Luftskiktet som omger jordklotet kallas atmosfären. Ju högre du är från jordens yta, desto mindre lufttäthet.

Atmosfärisk luft är en blandning av gaser. En liter av den väger 1,29 g vid atmosfärstryck och temperatur 15°C.

Luftens sammansättning inkluderar (i volym) kväve - 78,13%, syre - 20,90%, koldioxid - 0,03%, argon - 0,94%. Dessutom innehåller luften små mängder helium, väte och andra inerta gaser.

Förutom de listade gaserna innehåller luften vattenånga, vars mängd inte är konstant.

Kväve- under normala förhållanden en gasneutral för kroppen. Den är färglös, luktfri och smaklös, brinner inte och stöder inte förbränning. En liter kväve väger 1,25 g, dess densitet är 0,967. Ungefär en liter kväve löses i människokroppen vid normalt atmosfärstryck.

Syre- den viktigaste gasen för människor. Utan det är livet på jorden omöjligt. Syre brinner inte, men stöder förbränning. I sin rena form är den brandfarlig. En liter syre väger 1,43 g. Rent medicinskt syre (98,99%) används för andning.

Koldioxid- den tyngsta av alla gaser. En liter av den väger 1,96 g. Densiteten är 1,529 g. Vid ett partialtryck på 0,03 ata, vilket motsvarar 3 % i luften, har koldioxid en giftig effekt på kroppen.

Atmosfärstryckmätning. Tyngden av luft pressar mot marken och föremål på den. Den första som bestämde värdet av atmosfärstrycket var den italienska vetenskapsmannen Toricelli (på 1600-talet). För att göra detta använde han ett långt glasrör med en tvärsnittsarea på 1 cm2, förseglat i ena änden och fyllt med kvicksilver.

Efter att ha sänkt den oförseglade änden av röret i ett öppet kärl med kvicksilver, märkte han att det senare i röret bara sjönk till en viss nivå. Det gick inte lägre, eftersom detta förhindrades av lufttrycket på kvicksilvret i kärlet. Vid mätning visade det sig att höjden på kvicksilverkolonnen i röret var 760 mm, och dess vikt var 1,033 kg (fig. 2). Således bestämdes det att atmosfärstrycket vid jordens yta vid havsnivån är 760 mm Hg. Art., vilket motsvarar ett tryck med en kraft av 1,033 kg per 1 cm 2 eller 10,33 m vatten. Konst. Detta tryck kallas atmosfäriskt, normalt eller barometriskt och betecknas atm. Det här är en fysisk atmosfär.

Ris. 2. Atmosfäriskt lufttryck

I praktiken, för att underlätta beräkningarna, tas den tekniska atmosfären som en tryckenhet, vilket är lika med ett tryck på 1 kg per 1 cm 2 area. Den är utsedd till.

Vattentrycket på dykaren. Vi har redan sagt ovan att när en person dyker under vatten upplever en person inte bara trycket från atmosfärisk luft utan också vatten. Vid dykning, för varje 10 m ökar trycket med 1 atm. Detta tryck kallas överskott och betecknas ati.

Det totala (absoluta) trycket av vatten och luft på dykaren. Under vattnet utsätts dykaren för både atmosfäriskt och övertryck från vattenpelaren.

Deras totala tryck kallas absolut tryck och betecknas ata. Till exempel, på ett djup av 10 m är en dykare under tryck på 2 ati (1 ati + 1 ata), på ett djup av 50 m - 6 ata, etc.

Kompressibilitet och elasticitet hos gaser. Gaser består av partiklar i kontinuerlig rörelse. Gasmolekyler är små i storlek, men upptar en stor volym. Attraktionskraften mellan enskilda gasmolekyler är mycket mindre än i vätskor eller fasta ämnen. Gaser har inte en konstant volym och tar formen och volymen av det kärl där de finns.

I motsats till vätskor kan gaser expandera och komprimeras under tryck, vilket minskar volymen och ökar elasticiteten.

Förhållandet mellan gasernas volym och tryck fastställs av Boyle-Mariottes lag, som säger att volymen som upptas av en gas varierar i omvänd proportion till trycket som verkar på den vid en konstant temperatur. Produkten av gasvolymen (V) och motsvarande tryck (P) vid konstant temperatur ändras inte PхV=konst.

Till exempel, om du tar 2 liter gas under ett tryck på 2 ata och ändrar detta tryck, kommer volymen att ändras enligt följande:

Med andra ord, hur många gånger trycket ökar, minskar gasvolymen med samma mängd, och vice versa.

Betydelsen av denna lag är (praktisk). Den förklarar varför förbrukningen av luft för andning ökar med ökande djup (dykning. Om en dykare på ytan förbrukar 30 liter atmosfärisk luft per minut, då på ett djup av 20 m denna luft komprimeras till 3 ata, vilket redan motsvarar 90 liter luft. Förbrukningen tredubblas faktiskt.

Med hjälp av denna lag kan du göra nödvändiga beräkningar relaterade till dyknedförsbackar.

Räkneexempel:

Bestäm hur många liter tryckluft en dykare under ett tryck på 4 atm på en tryckmätare får om han tillförs 150 liter fri luft per minut?

Enligt Boyle-Mariottes lag är P1 V1 = P2 V2.

I exemplet

Dessa beräkningar är endast giltiga för konstant temperatur. I praktiken är det nödvändigt att ta hänsyn till förändringar i volym och tryck vid olika temperaturer. Luftvolymens och tryckets beroende av dess temperatur bestäms av Gay-Lussacs lag, som säger att förändringen i gasvolymen vid konstant tryck är direkt proportionell mot uppvärmningstemperaturen. Förändringen i gastrycket vid konstant volym är också direkt proportionell mot uppvärmningstemperaturen.