При увеличении давления что происходит с температурой
Давление газа на стенки сосуда
Статья находится на проверке у методистов Skysmart.
Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).
Газ: агрегатное состояние
В мире есть три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное. Их характеристики — в таблице
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около своего положения в кристаллической решетке
близко друг к другу
малоподвижны, при нагревании скорость движения молекул увеличивается
занимают предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
В жизни мы встречаем газообразное состояние вещества, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (он занимает весь предоставленный ему объем), состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.
Давление газа
Мы только что выяснили, что молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.
Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, на каждый квадратный сантиметр за 1 с молекулами воздуха наносится столько ударов, что их количество выражается двадцати трехзначным числом.
Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул о стенки сосуда приводит к значительному давлению. Это как если бы один комар толкал машину, то она бы и не сдвинулась с места, а вот пару сотен миллионов комаров вполне себе способны эту машину сдвинуть.
Зависимость давления от других величин
Зависимость давления от объема
В механике есть формула давления, которая показывает: давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.
Давление
p = F/S
p — давление [Па]
F — сила [Н]
S — площадь [м^2]
То есть, если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы они толкали грузовой автомобиль (просто потому что легковая меньше грузовика).
Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за меньшей площади.
Давайте рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.
Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, по аналогичной схеме — потому что площадь меньше. Но если площадь основания меньше, то и объем меньше. Это значит, что давление будет зависеть от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление — и наоборот.
При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):
Такая зависимость называется законом Бойля-Мариотта.
Она экспериментально проверяется с помощью такой установки.
Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.
Зависимость давления от температуры
Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Эти исследования были впервые произведены в Жаком Шарлем.
Газ нагревался в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Пренебрегая ничтожным увеличением объема колбы при нагревании и незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке.
Таким образом, можно считать объем газа неизменным. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, измеряли температуру газа по термометру, а соответствующее давление — по манометру.
Этот эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.
С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейно:
Эта зависимость называется законом Шарля.
Хранение и транспортировка газов
Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое, или когда газы необходимо длительно хранить — их помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.
Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.
Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или любым способом пытаться сделать в них отверстие, даже после использования.
Влияние давления на температуру насыщения
Рассмотрим закрытый сосуд с водой при температуре 22,2°С. На сосуд установлены дроссельный клапан, манометр и два термометра для контроля процесса. Клапан регулирует давление в сосуде. Манометр показывает давление в сосуде, а термометры измеряют температуру пара и жидкой воды. Атмосферное давление вокруг сосуда равно 101,3 кПа.
В сосуде образован вакуум, и закрыт клапан. При внутреннем давлении в 68,9 кПа температура насыщения воды 89,6°С. Это значит, что кипение не произойдет, пока давление пара не достигнет 68,9 кПа. Так как максимальное давление пара при температуре жидкости 22,2°С 2,7 кПа, кипения не будет, если жидкости не сообщить большое количество энергии.
Вместо кипения при данных условиях начнется испарение, так как давление пара жидкости ниже давления насыщенного пара, которое зависит от температуры воды. Так будет продолжаться до тех пор, пока объем над жидкостью не будет насыщенным водным паром. По достижении состояния равновесия температура жидкости и окружающей среды будет одинаковой, теплопередача прекратится, количество молекул пара, отделяющихся от воды и возвращающихся в нее, будет одинаковым, и давление пара будет равно давлению насыщения жидкости, которое зависит от ее температуры. По достижении состояния равновесия давление пара достигнет максимального значения 2,7 кПа, и объем жидкости останется постоянным.
Если по достижении начального состояния равновесия открыть клапан, давление в сосуде быстро вырастет до 101,3 кПа. Следовательно, температура кипения воды вырастет до 100°С. Так как температура воды останется 22,2°С, давление пара воды остается 2,7 кПа. Давление пара воды уменьшится, так как пар выходит из сосуда через клапан, и процесс испарения начинается снова.
При увеличении теплопередачи сосуду в результате сжигания топлива, температура воды начинает повышаться до 100°С. Повышение температуры воды вызывает выделение большего количества молекул пара в результате увеличения кинетической энергии, что повышает давление пара до 101,3 кПа. Увеличение давления пара — это следствие изменения температуры жидкой воды. При увеличении температуры жидкости давление насыщенного пара также повышается. Как только давление пара достигает атмосферного давления, начинается кипение. Основанный на потенциальной энергии процесс изменения состояния в результате кипения происходит при постоянной температуре. Вода будет принудительно изменять состояние на газообразное до тех пор, пока сосуд получает достаточно теплоты.
При увеличении давления что происходит с температурой
По закону Бойля V1 : V2 = Р2 : P1 при постоянной температуре
По закону Гей-Люсака V1 : V2 = T1 : T2 при постоянном давлении
P1 : Р2 = T1 : T2 при постоянном объёме
Из формул, представленных выше, можно заметить, что две из трех величин, могут рассматриваться как переменные, если третья постоянна. Нет такого состояния, при котором давление, объем и температура могли бы все рассматриваться как переменные.
Однако бывают случаи, когда все величины переменные, а один фактор неизвестен. В практических случаях такие задачи могут быть решены по аналогии с примерами ниже:
Газ при температуре 20 o C занимает объем 0,98 м 3 в цилиндре диаметром 50 мм, к поршню приложена сила 980Н. Каким будет смещение поршня, если сила, приложенная к поршню, удвоилась, а температура увеличилась до 50 o C?
Смещение поршня легко определить при задании изменений объема. Однако, в задаче задано только одно значение объема (0,98 м 3 ), а другое неизвестно.
Чтобы установить зависимости между всеми параметрами, которые являются переменными, изменения объема должны быть рассмотрены отдельно при двух фазах.
Газ нагревается от температуры t = 20 o C, которая соответствует абсолютной температуре T1 = 20 + 273 = 293 o K, до температуры 50 o C, которая соответствует T2 = (50 + 273) =323 o K. Если давление на поршень остается постоянным с нагрузкой 980Н, то произойдет увеличение объема газа. По закону Гей-Люсака V1 : V2 = T1 : T2
Подставляя заданные значения:
Vх = (0,98 • 323)/293 =1,08 дм 3 (промежуточное значение)
Это подтверждается следующими вычислениями.
I. Площадь поверхности поршня в см 2 (3,14•D2)/4
Диаметр = 50 мм = 5 см S = (3,14 • 52)/4 = 19,6 см 2
Давление на каждой стадии теперь можно рассчитать.
II. Начальное давление P1=Начальная сила/Площадь поверхности = 980Н/19,6см 2 = 50Н/см 2 =5кг/см 2
Финальное давление P2= Финальная сила/Площадь поверхности = (980•2)/19,6 =100Н/см=10кг/см 2
При равенстве площадей поверхности поршня увеличение вдвое приложенной силы удвоит давление.
Подставляя заданные значения:
Vх • P1 = V2 • P2
V2 = (1,08 дм 3 • 50 Н/см 2 )/100Н/см 2 = (1,08 дм 3 • 5 кг/см 2 )/10кг/см 2 = 0,54 дм 3
Этот же самый результат получен в предыдущем вычислении.
Можно получить результат, непосредственно используя следующее выражение, которое является комбинацией из двух начальных формул:
(P 1 • V1)/Т1 = (P2 • V2)/Т2
В примере объем V2 требуется для того, чтобы вычислить перемещение поршня
V2 = (Р1 • V1 • T2)/(T1 • P2) = (5 • 0,98 • 323)/(293 • 10) = 0,54 дм 2
Используя оба объема, можно вычислить изменение в положении поршня, применяя геометрию:
Объем = площадь поверхности • высота Высота в см = объем в см 2 / площадь в см 2
Начальная высота = 980см 3 /19,6см 2 =50см. Финальная высота = 540см 3 /19,6см 2 =27,5см
Перемещение поршня = 50-27,5=22,5 см В этой задаче принималось, что нагревание газа произошло в результате увеличения температуры внешней среды.
Если вспомнить эксперимент с велосипедным насосом, когда воздух сжат и у него нет возможности расширяться, выделяется тепло, то есть температура воздуха возрастает и это тепло передается к внешним поверхностям насоса. Обратный процесс возникает, когда газ расширяется.
Если у газа есть возможность расшириться, его температура уменьшится.
Изменения температуры воздуха порождают:
I. Возникновение тепла на стадии сжатия.
II. Поглощение тепла на стадии расширения.
При увеличении давления что происходит с температурой
Все тела, независимо от их состояния (твердого, жидкого, газообразного), будут изменяться в объеме всякий раз, когда они подвергаются изменению температуры.
Такое явление обладает различными характеристиками в случае газов, поскольку они не имеют ни объема, ни собственной формы, а принимают форму закрытых сосудов, содержащих их. Сосуды различных размеров могут быть «заполнены» равным количеством газа, то есть одного и того же количества молекул. Это происходит благодаря свойству газа, занимать все доступное пространство.
Из Закона Бойля известно, что, при заданной температуре, имеются установленные соотношения между объемом сосуда и количеством молекул газа, содержащихся в нем, то есть между объемом и давлением газа. Поэтому, изменение температуры воздействует как на объем, так и на давление.
Проводя два отдельных эксперимента, можно исследовать отношения и определять поведение заданного количества газа, подвергнутого нагреванию и затем охлаждению.
Эксперимент 1
Нагревание при постоянном давлении
то есть где газ свободно расширяется).
Установите плотно без зазора пробку на сосуд, содержащий воздух. Пробка должна быть оснащена прозрачной трубкой.
Поместите свободный конец трубки ниже поверхности воды в маленьком открытом сосуде.
При нормальных температурных условиях, давление воздуха в сосуде равно атмосферному давлению, действующему на поверхность воды в резервуаре.
Поэтому воздух не будет выходить из трубки, и при этом вода не будет подниматься в нее.
Поскольку тепло от пламени свечи нагревает сосуд, воздух расширяется и улетучивается из трубки в виде пузырьков, которые рассеиваются в атмосфере при достижении поверхности воды.
Это явление видно невооруженным глазом, и выглядит как выход пузырьков из трубки и перемещается к водной поверхности.
Удаляя источник высокой температуры, явно наблюдается противоположное явление.
Поскольку температура падает, происходит небольшое сокращение объема воздуха внутри сосуда.
Это заметно по количеству воды, уровень которой повышается в маленькой трубке.
Вода занимает пространство, которое образовалось после выхода молекул газа в атмосферу на стадии нагревания.
Эксперимент 2
Нагревание при постоянном объеме
(то есть газ вынужден сохранять неизменным свой объем): Если сосуд, заполнен воздухом при давлении 2 бара, соединен с манометром, при нормальных температурных условиях, то прибор покажет значение давления 1 бар. Это соответствует разнице между абсолютным давлением 2 бара внутри сосуда и атмосферным давлением 1 бар. При нагревании, воздух стремиться расшириться, но, поскольку сосуд закрыт, его объем должен остаться постоянным. Манометр сразу покажет увеличение давления. Если воздух начинает остывать, давление будет падать и возвращаться к начальному значению, потому что не было потерь молекул воздуха внутри сосуда.
Заключение
В обоих экспериментах, увеличение температуры всегда влияет на объем всей массы газа.
Имеются два возможных результата:
Проведенные эксперименты позволяют предсказать эффекты нагревания газа в параметрах объема и давления.
Эти вычисления дают возможность использовать коэффициенты, общие для всех газов, и простую формулу, описанную в следующих главах.
Найдена связь между высоким кровяным давлением и температурой тела
Высокое кровяное давление является распространенным состоянием, при котором сила давления крови на стенки артерий слишком высока. Это постепенно приводит к тому, что артерии затвердевают и сужаются, а значит сердцу приходится больше работать, чтобы перекачивать кровь по телу. В итоге повышенное давление увеличивает риск сердечного приступа.
Недавно ученые обнаружили связь между высоким кровяным давлением и температурой тела, пишет Express. Повышение температуры обычно свидетельствует о каком-то нарушении в организме. Если она ниже 38°C и поднимается редко, то это не повод для беспокойства, но ее регулярные скачки могут быть индикатором высокого кровяного давления.
Отмечается, что при высокой температуре тела увеличивается частота сердечных сокращений, что и приводит к увеличению кровяного давления. Также ученые напоминают, что оно обычно выше зимой, чем летом, так как холод вызывает сужение кровеносных сосудов.
Также на артериальное давление может влиять внезапное изменение погодных условий. Чаще всего это встречается у людей старше 65 лет. Другие сезонные причины повышения давления включают увеличение веса и снижение физической активности, что характерно для холодного времени года.
Ранее специалисты назвали шесть признаков высокого кровяного давления, при которых нужно обратиться к врачу. Часто люди узнают о недуге уже после перенесенного инфаркта или инсульта, развившихся в результате болезни, однако такие серьезные последствия можно предотвратить.