Ниже какого давления можно говорить о вакууме между стенками
Содержание статьи
РЕШИ ЗАДАЧУ!
2. Определите число N атомов в 1 кг водорода и массу одного атома водорода. 3. В закрытом сосуде вместимостью 20 л находятся водород массой 6 г и гелий массой 12 г. Определите: 1) давление; 2) молярную массу газовой смеси в сосуде, если температура смеси Т = 300 К. 4. Определите плотность смеси газов водорода массой m1 = 8 г и кислорода m2 = 64 г при температуре Т = 290 К и при давлении 0,1 МПа. Газы считать идеальными. 5. В баллоне вместимостью 15 л находится азот под давлением 100 кПа при температуре t1= 27 °С. После того как из баллона выпустили азот массой 14 г, температура газа стала равной t2 = 17 °С. Определите давление азота, оставшегося в баллоне. 6. Баллон вместимостью V = 20 л содержит смесь водорода и азота при температуре 290 К и давлении 1 МПа. Определите массу водорода, если масса смеси равна 150 г. 7. Азот массой 7 г находится под давлением p = 0,1 Мпа и температуре Т1 = 290 К. Вследствие изобарного нагревания азот занял объем V2 = 10 л. Определите: 1) объем газа до расширения, 2) температуру газа после расширения, 2) плотность газа до и после расширения. 8. В сосуде вместимостью 1 л находится кислород массой 1 г. Определите концентрацию молекул кислорода в сосуде. 9. В сосуде вместимостью 5 л при нормальных условиях находится азот. Определите: 1) количество вещества v; 2) массу азота; 3) концентрацию n его молекул в сосуде. 10. Средняя квадратичная скорость некоторого газа при нормальных условиях равна 480 м/с. Сколько молекул содержит 1 г этого газа? 11. В сосуде вместимостью V = 0.3 л при температуре Т = 290 К находится некоторый газ. Насколько понизится давление газа в сосуде, если из него из-за утечки выйдет N = 1019 молекул. 12. Определите давление, оказываемое газом на стенки сосуда, если его плотность ρ = 0,01 кг/м3 и средняя квадратичная скорость молекул газа составляет 480 м/с. 13. Определите наиболее вероятную скорость молекул газа, плотность которого при давлении 40 кПа составляет 0,35 кг/м3. 14. Определите среднюю кинетическую энергию (ε0) поступательного движения молекул газа, заходящегося под давлением 0,1 Па и имеющим концентрацию молекул 1013 см-3. 15. Определите: 1) наиболее вероятную vв; 2) среднюю арифметическую v; 3) среднюю квадратичную vкв скорость молекул азота (N2) при 27 °С. 16. При какой температуре средняя квадратичная скорость молекул кислорода больше их наиболее вероятной скорости на 100 м/с? 17. Используя закон распределения молекул идеального газа по скоростям, найдите формулу наиболее вероятной скорости Vв. 18. Используя закон распределения молекул идеального газа по скоростям, найдите закон, выражающий распределение молекул по относительным скоростям u (u = v/vв). 19. Используя закон распределения молекул идеального газа по скоростям, найдите среднюю арифметическую скорость v молекул. Указание: средняя арифметическая скорость определяется по формуле 20. Используя закон распределения молекул идеального газа по скоростям, найдите среднюю квадратичную скорость (vкв). 21. Используя функцию распределения молекул идеального газа по энергиям, найдите среднюю кинетическую энергию (ε) молекул. 22. Используя функцию распределения молекул идеального газа по энергиям, найдите наиболее вероятное значение энергии εв молекул. 23. Используя функцию распределения молекул идеального газа по энергиям, найдите для данной температуры отношение средней кинетической энергии ε молекул к их наиболее вероятному значению энергии εв. 24. Закон распределения молекул газа по скоростям в некотором молекулярном пучке имеет вид f(v) = Av3e-m0v^2, определите: 1) наиболее вероятную скорость; 2) наиболее вероятное значение энергии молекул в этом пучке. 25. На какой высоте давление воздуха составляет 60% от давления на уровне моря? При решении считать, что температура воздуха везде одинакова и равна 10 C. 26. Каково давление воздуха в шахте на глубине 1 км, если считать, что температура по всей высоте постоянная и равна 22 С, а ускорение свободного падения не зависит от высоты? Давление воздуха у поверхности Земли равно p0. 27. Определите отношение давления воздуха на высоте 1 км к давлению на дне скважины глубиной 1км. Воздух у поверхности Земли находится при нормальных условиях, и его температура не зависит от высоты. 28. На какой высоте плотность воздуха в е раз (е — основание натуральных логарифмов) меньше по сравнению с его плотностью на уровне моря? Температуру воздуха и ускорение свободного падения считайте не зависящими от высоты. 29. Используя идею установки Перрена для определения постоянной Авогадро и применив к частицам краски, взвешенным в воде, больцмановское распределение, найдите объем частиц, если при расстоянии между двумя слоями 80 мкм число взвешенных частиц в одном слое вдвое больше, чем в другом. Плотность растворенной краски 1700 кг/м3, а температура окружающей среды 300 К. 30. Определите среднюю длину свободного пробега l молекул кислорода, находящегося при температуре 0 С, если известно среднее число z столкновений, испытываемых молекулой за 1 с, равно 3,7 * 109. 31. При каком давлении средняя длина свободного пробега молекул водорода равна 2,5 см, если температура газа равна 67 С? Диаметр молекулы водорода считать равным 0,28 нм. 32. Определите среднюю продолжительность τ свободного пробега молекул водорода при температуре 27 С и давлении 0,5 кПа, принимая диаметр молекулы водорода равным 0,28 нм. 33. Средняя длина свободного пробега l1 молекул водорода при нормальных условиях составляет 0,1 мкм. Определите среднюю длину их свободного пробега при давлении 0,1 мПа, если температура газа остается постоянной. 34. При температуре 300К и некотором давлении средняя длина свободного пробега l молекул кислорода равна 0,1 мкм. Чему равно среднее число столкновений, испытываемых молекулами за 1 с, если сосуд откачать до 0,1 первоначального давления? Температуру газа считать постоянной. 35. Определите: 1) плотность p воздуха в сосуде; 2) концентрацию n его молекул; 3) среднюю длину свободного пробега (l) молекул, если сосуд откачан до давления 0,13 Па. Диаметр молекул воздуха примите равным 0,27 нм. Температура воздуха 300 К. 36. Определите коэффициент теплопроводности λ азота, находящегося в некотором объеме при температуре 280 К. Эффективный диаметр молекул азота равен 0,38 нм. 37. Кислород находится при нормальных условиях. Определите коэффициент теплопроводности λ кислорода, если эффективный диаметр его молекул равен 0,36 нм. 38. Пространство между двумя параллельными пластинами площадью 150 см2 каждая, находящимися на расстоянии 5 мм друг от друга, заполнено кислородом. Одна пластина поддерживается при температуре 17 С, другая — при 27 С. Определите количество теплоты, прошедшее за 5 мин посредством теплопроводности от одной пластины к другой. Кислород находится при нормальных условиях. Эффективный диаметр молекул кислорода считать равным 0,36 нм. 39. Определите коэффициент диффузии D кислорода при нормальных условиях. Эффективный диаметр молекул кислорода примите равным 0,36 нм. 40. Определите массу азота, прошедшего в следствии диффузии через площадку 50 см2 за 20 с, если градиент плотности в направлении, перпендикулярном площадке, равен 1 кг/м4. Температура равна 290 К, а средняя длина свободного пробега молекул равна 1 мкм. 41. Определите, во сколько раз отличаются коэффициенты динамической вязкости η углекислого газа и азота, если оба газа находятся при одинаковых температуре и давлении. Эффективные диаметры молекул этих газов равны. 42. Определите коэффициент теплопроводности азота, если коэффициент динамической вязкости для него при тех же условиях равен 10 мкПа * c. 43. Азот находится под давлением 100 кПа при температуре 290 К. Определите коэффициенты диффузии D и внутреннего трения η. Эффективный диаметр молекул азота принять равным 0,38 нм. 44. Ниже какого давления можно говорить о вакууме между стенками сосуда Дьюара, если расстояние между стенками сосуда равно 8 мм, температура 17 С, эффективный диаметр молекул воздуха равен 0,27 нм. 45. Давление разреженного газа в рентгеновской трубке при температуре 17 °С равно 130 мкПа. Можно ли вести разговор о высоком вакууме, если характерный размер l0 (расстояние между катодом и анодом трубки) составляет 50 мм? Эффективный диаметр молекул воздуха примите равным 0,27 нм. |
Источник
Вакуум: основные понятия, определения и типы вакуума
Вакуум понятие относительное. Учеными доказано, что абсолютного вакуума не существует. Есть несколько понятий вакуума и его интерпретаций.
Что такое вакуум
Ва́куум с латинского «vacuum» обозначает пустой, т.е. это пустое пространство. Но создать пустое пространство невозможно. Поэтому принято считать вакуумом объем, в котором почти нет никаких веществ. Количество молекул в вакууме находится в таком небольшом количестве, что может достигать нескольких десятков.
Из-за малого количество молекул, их внутренняя энергия или импульсы стремятся к нулю. Поэтому считается, что в вакууме практически отсутствуют различные процессы, такие как электрический ток, трение и прочее.
В физике ва́куум — это пространство с газом, давление которого ниже атмосферного давления. Другими словами, это разряжение.
Качество вакуума или его глубина измеряется давлением. А точнее, отношением длины свободного пробега частицы к линейным размерам емкости, в которой он создан. С увеличением степени разряжения уменьшается число столкновений молекул в пространстве. Длина свободного пробега частиц увеличивается и зависит только от размеров сосуда, со стенками которого они сталкиваются. Следовательно, вакуумом можно назвать состояние, когда частицы газа, находясь в определенном объеме, не соприкасаются друг с другом.
Основная единица измерения вакуумного давления — Па. Но паскаль достаточно большая величина для измерения разряжения, поэтому в физике часто используются другие величины, такие как бар, мм.рт.ст., торр, физическая атмосфера.
Соотношение единиц измерения вакуума в физике.
Единицы измерения | Па (Н/м2) | мм.рт.ст. (торр) | бар | атм. (физ.) | кгс/см2 |
Па (Н/м2) | 1 | 0,0075 | 10-5 | 9,869х10-6 | 1,02х10-5 |
мм.рт.ст. (торр) | 133,322 | 1 | 0,0013 | 0,0013 | 1,36х10-3 |
бар | 100000 | 750,064 | 1 | 0,9869 | 1,0197 |
атм. (физ.) | 101325 | 760 | 1,01325 | 1 | 1,0332 |
кгс/см2 | 98066,5 | 735,5613 | 0,9807 | 0,9678 | 1 |
Для измерения вакуума в технике созданы специальные приборы — вакуумметры. В отличие от манометров, вакуумные приборы дают возможность измерять давление ниже 1 атмосферы.
Некоторые типы вакуумметров имеют шкалу с отрицательными значениями. Это условное обозначение, за нулевую отметку принято атмосферное давление, а ниже — разряжение. На самом деле давление вакуума находится в пределах 0-1 атмосфера.
Создается вакуум специальным оборудованием — вакуумными насосами.
Существует два метода создания вакуума:
- Методом откачивания газовой среды.
- Методом связывания газа.
Методом откачки разряжение создается механическими вакуумными насосами. Они бывают объемными и молекулярными. Объемные типы вакуумных насосов откачивают среду порционно, сжимая каждую из них в изолированной рабочей полости. Молекулярные насосы откачивают газ непрерывно и работают по принципу увлечения молекул газа непрерывным потоком жидкости, струи пара или газа.
Второй метод используют сорбционные вакуумные насосы. Газ связывается, сорбируется или конденсирует на специальном веществе и выводится вместе с ним из определенной емкости.
Типы вакуума
Существует классификация разряжения в зависимости от определения понятия «ва́куум» и от степени разряжения.
По определению различается 3 основных вида вакуума:
- Технический.
- Физический.
- Космический.
Технический вакуум — это газовое пространство с низким давлением. Другими словами, воздушная среда, которая имеет давление ниже атмосферного, является техническим вакуумом.
Физический вакуум — понятие квантовой физики, это пространство с энергией, которая близится к нулевому значению. А это бывает не только в пустом объеме, но и в твердых телах, и в ядре атома.
Космический вакуум является вариантом физического вакуума. Это пространство, заполненное частицами и полями с очень низкой плотностью и давлением. Значение космического вакуума около 10-15 Па и ниже.
По степени разряжения существуют такие типы вакуума:
- низкий;
- средний;
- высокий;
- сверхвысокий.
Для каждого из них существую пределы давления в разных единицах.
Глубина вакуума | Па | мбар | мм.рт.ст. |
Низкий | 105 — 100 | 1013,25х105 — 1 | 760 — 25 |
Средний | 100 — 0,1 | 1 — 10-3 | 25 — 10-3 |
Глубокий | 0,1 — 10-6 | 10-3 — 10-7 | 10-3 — 10-9 |
Сверхвысокий | 10-6 и ниже | 10-7 и ниже | 10-9 и ниже |
Вакуум разной глубины имеет разные свойства. Низкое разряжение сохраняет свойства обычного газа практически без изменений, сверхвысокое — почти отсутствуют все процессы. Средний и глубокий вакуум находятся в промежуточном состоянии, когда свойства разряженной атмосферы зависят от ее давления.
Для создания сверхвысокого разряжения одного вакуумного насоса мало, для этого необходима вакуумная система, в которой соединяются последовательно два насоса. Один создает форвакуум (предварительное разряжение), а второй из низкого создает более высокий вакуум. Минимальное давление, которое возможно достичь таким образом — 10-16 мм.рт.ст.
Источник
Тема 6.2.Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов.
Явление переноса.
I. Цель практического занятия:
- Закрепить и углубить знание теоретических вопросов, основных понятий и формул м.к.т., а также законов Фурье; Фика и Ньютона (для явлений переноса).
- Учиться применять полученные знания для решения задач по данной теме.
II. Расчёт учебного времени:
| Содержание занятия | Время (мин.) |
Вступительная часть: Объявление темы и цели занятия. Контрольный опрос:
Основная часть: Решение задач по темам: § С использованием формул скоростей. § С использованием барометрической формулы. § На определение среднего времени свободного пробега и средней длины свободного пробега. § С использованием основных законов физической кинетики. Заключительная часть: Подведение итогов занятий, объявление задания на самостоятельную работу |
Контрольный опрос:
1. Скорости молекул:
в) Наиболее вероятная
г) Средняя квадратичная
д) Средняя арифметическая
2. Энергия поступательного движения молекулы газа:
3. Барометрическая формула
4. Распределение Больцмана:
5. Среднее число соударений молекулы за 1с:
6. Средняя длина свободного пробега:
7. Закон Фурье:
8. Закон Фика: , где ;
9. Закон Ньютона:
Основная часть
Пример №1 Чер.№9-35
Определить среднюю арифметическую скорость молекул газа, если известно, что их средняя квадратичная скорость =1 км/с.
Пример №2 Тр. №2.25
На какой высоте давление воздуха составляет 60% от давления на уровне моря? Считать, что температура воздуха везде одинакова и равна 10°С.
Пример №3 Тр.№2.27
Определить отношение давления воздуха на высоте 1 км к давлению на дне скважины глубиной 1 км. Воздух у поверхности Земли находится при нормальных условиях, и его температура не зависит от высоты.
Пример №4 Чер.№9-27
Барометр в кабине летящего самолёта всё время показывает одинаковое давление р=80 кПа, благодаря чему лётчик считает высоту h полёта неизменной. Однако, температура воздуха изменилась на . Какую ошибку в определении высоты допустил лётчик? Считать, что температура не изменяется с высотой и что у поверхности Земли давление кПа.
Пример №5 Тр.№2.32
Определить среднюю продолжительность свободного пробега молекул водорода при температуре 27°С и давлении 5 кПа. Диаметр молекулы водорода принять равным 0,28 нм.
Пример №6 Тр. №2.34
При температуре 300 К и некотором давлении средняя длина свободного пробега молекул кислорода равна 0,1 мПа. Чему равно среднее число столкновений, испытываемых молекулами в 1 с, если сосуд откачать до 0,1 первоначального давления? Температуру газа считать постоянной.
Пример №7 Тр.№2.44
Ниже какого давления можно говорить о вакууме между стенками сосуда Дьюара, если расстояние между стенками сосуда равно 8 мм, а температура 17°С? Эффективный диаметр молекул воздуха принять равным 0,27 нм.
Пример №8 Тр. №2.38
Пространство между двумя параллельными пластинами площадью 150 см2 каждая, находящимися на расстоянии 5 мм друг от друга, заполнено кислородом. Одна пластина поддерживается при температуре 17°С, другая — при температуре 27°С. Определить количество теплоты, пошедшее за 5 минут посредством теплопроводности от одной пластины к другой. Кислород находится при нормальных условиях. Эффективный диаметр молекул кислорода считать равным 0,36 нм.
Пример №9 Тр. №2.40
Определить массу азота прошедшего вследствие диффузии через площадку 50 см2 за 20 с, если градиент плотности в направлении, перпендикулярном площадки, равен 1 кг/м4. Температура азота 290 К, а средняя длина свободного пробега его молекул равна 1мкм.
Пример №10 Тр. №2.41
Определить, во сколько раз отличаются коэффициенты динамической вязкости углекислого газа и азота, если оба газа находятся при одинаковых температуре и давлении. Эффективные диаметры молекул этих газов считать равными.
Пример №11 Тр. №2.42
Определить коэффициент теплопроводности азота, если коэффициент динамической вязкости для него при тех же условиях равен 10 мкПа·с.
Заключительная часть:
Рекомендуемые страницы:
Воспользуйтесь поиском по сайту:
Источник
Абсолютный вакуум и атмосферное давление
Согласно определению в физике, концепция «вакуума» предполагает отсутствие какого-либо вещества и элементов материи в определенном пространстве, в этом случае говорят об абсолютном вакууме. Частичный же вакуум наблюдается тогда, когда плотность находящегося вещества в данном месте пространства является низкой. Рассмотрим подробнее этот вопрос в статье.
Вакуум и давление
В определении концепции «абсолютный вакуум» речь идет о плотности вещества. Из физики же известно, что если рассматривается газообразная материя, то плотность вещества является прямо пропорциональной величиной давлению. В свою очередь, когда говорят о частичном вакууме, то подразумевают, что плотность частиц материи в данном пространстве меньше, чем таковая для воздуха при нормальном атмосферном давлении. Именно поэтому вопрос вакуума — это вопрос давления в рассматриваемой системе.
В физике абсолютное давление — это величина, равная отношению силы (измеряется в ньютонах (Н)), которая перпендикулярно приложена к некоторой поверхности, к площади этой поверхности (измеряется в квадратных метрах), то есть P = F/S, где P — давление, F — сила, S — площадь поверхности. Единицей измерения давления является паскаль (Па), получается, что 1 [Па] = 1 [Н]/ 1 [м2].
Частичный вакуум
Экспериментально установлено, что при температуре 20 °C на поверхности Земли на уровне моря атмосферное давление составляет 101 325 Па. Это давление получило название 1-й атмосферы (атм.). Приблизительно можно сказать, что давление в 1 атм. равняется 0,1 МПа. Отвечая на вопрос о том, сколько атмосфер в 1 паскале, составляем соответствующую пропорцию и получаем, что 1 Па = 10-5 атм. Частичный вакуум соответствует любому давлению в рассматриваемом пространстве, которое меньше 1 атм.
Если переводить указанные цифры с языка давлений на язык количества частиц, тогда следует сказать, что при 1 атм. в 1 м3 воздуха содержится приблизительно 1025 молекул. Любое уменьшение названной концентрации молекул приводит к образованию частичного вакуума.
Измерение вакуума
Самым распространенным прибором для измерения небольшого вакуума является обычный барометр, который можно использовать только для случаев, когда давление газа составляет несколько десятков процентов от атмосферного.
Для измерения более высоких значений вакуума используют электрическую схему с мостом Уитстона. Идея использования заключается в измерении сопротивления чувствительного элемента, которое зависит от окружающей его концентрации молекул в газе. Чем больше эта концентрация, тем больше молекул ударяются о чувствительный элемент, и тем больше тепла он им передает, это приводит к уменьшению температуры элемента, которая влияет на его электрическое сопротивление. Этим прибором удается измерять вакуум с давлениями в 0,001 атм.
Историческая справка
Интересно отметить, что понятие «абсолютный вакуум» полностью отвергалось известными древнегреческими философами, например Аристотелем. Кроме того, о существовании атмосферного давления не было известно до начала XVII века. Только с приходом Нового времени начали проводиться эксперименты с трубками, наполненными водой и ртутью, которые показали, что земная атмосфера оказывает давление на все окружающие тела. В частности, в 1648 году Блез Паскаль смог измерить с помощью ртутного барометра давление на высоте 1000 метров над уровнем моря. Измеренное значение оказалось намного меньшим, чем на уровне моря, тем самым ученый доказал существование атмосферного давления.
Впервые эксперимент, который явно продемонстрировал силу атмосферного давления, а также подчеркнул концепцию вакуума, был проведен в Германии в 1654 году, в настоящее время он известен под названием «эксперимент с магдебургскими сферами». В 1654 году немецкий физик Отто фон Герике смог плотно соединить две металлические полусферы диаметром всего 30 см, а затем выкачал из полученной конструкции воздух, создав тем самым частичный вакуум. История повествует, что две упряжки по 8 лошадей в каждой, которые тянули в противоположные стороны, не смогли разъединить эти сферы.
Абсолютный вакуум: существует ли он?
Иными словами, существует ли место в пространстве, которое бы не содержало никакой материи. Современные технологии позволяют создать вакуум 10-10 Па и даже меньше, однако это абсолютное давление не означает, что в рассматриваемой системе не остается частиц материи.
Обратимся теперь к самому пустому пространству во Вселенной — к открытому космосу. Какое давление в вакууме космоса? Давление в космическом пространстве вокруг Земли составляет 10-8 Па, при этом давлении существует около 2 млн молекул в объеме 1 см3. Если говорить о межгалактическом пространстве, то по оценкам ученых даже в нем существует как минимум 1 атом в объеме 1 см3. Более того, наша Вселенная пронизана электромагнитным излучением, носителями которого являются фотоны. Электромагнитное излучение — это энергия, которую можно перевести в соответствующую массу по знаменитой формуле Эйнштейна (E = m*c2), то есть энергия, наряду с веществом, является состояние материи. Отсюда следует вывод, что абсолютного вакуума в известной нам Вселенной не существует.
Источник