Тема 3. Газвае законы (Бойля, Шарля, Генри, Дайтона)

Тема занятия: Газовые законы. Законы гидростатики и гидродинамики.

Газ – это одно из агрегатных состояний вещества, в котором его частицы движутся свободно, равномерно заполняя доступное для них пространство. Они оказывают давление на ограничивающую это пространство оболочку. Плотность газа при нормальном давлении на несколько порядков меньше плотности жидкости.

Законы газовой динамики

Закон Бойля-Мариотта (Изотермический процесс)
Закон Шарля (Изохорный процесс) и Гей-Люссака (Изобарный процесс)
Закон Дальтона
Закон Генри

Законы гидростатики и гидродинамики

Закон Паскаля
Закон Архимеда
Закон Эйлера-Бернулли

Закон Бойля-Мариотта (Изотермический процесс)

Для данной массы газа М при постоянной температуре Т его объем V обратно пропорционален давлению Р: PV=const, P₁V₁=P₂V₂, P₁ и P₂– начальное и конечное значение давления, V₁ и V₂- начальное и конечное значение давления.
Вывод – Во сколько раз увеличивается давление, во столько раз уменьшается объем.
Пользуясь этим законом можно понять во сколько раз с увеличением глубины возрастает расход воздуха для дыхания подводного пловца, а также рассчитать время пребывания под водой.
Пример: V_{баллона} =15л, P_{баллона}=200, Бар V_{легких =}5л, D_{глубина}=40м На сколько времени хватит баллона на этой глубине? Если человек делает 6 вдохов в минуту? 15х200 = 3000л воздуха в баллоне, 5х6=30л/мин – расход воздуха в минуту на поверхности. На глубине 40м, P_абс=5 бар, 30х5=150 л/мин на глубине. 3000/150= 20мин. Ответ: воздуха хватит на 30 мин.

Закон Шарля (Изохорный процесс) и Гей-Люссака (Изобарный процесс)

Для данной массы газа М при постоянном объеме V давление прямо пропорционально изменению его абсолютной температуры Т: P₁xT₁= P₂xT₂
Для данной массы газа М при постоянном давлении Р объем газа изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры Т: V₁xT₁= V₂xT₂
Абсолютная температура выражается в градусах по Кельвину. 0°С=273°К, 10°С=283°К, -10°С=263°К
Пример: Предположим, что баллон был заполнен сжатым воздухом при давлении 200 бар, после чего температура поднялась до 70°С. Чему стало равно давление воздуха внутри баллона? P₁=200, T₁=273, P₂=?, T₂=273+70=343, P₁xT₁= P₂xT₂, P₂=P₂xT₂/T₁=200×343/273= 251 Бар

Закон Дальтона

Абсолютное давление смеси газов равно сумме парциональных (частичных) давлений отдельных газов, составляющих смесь.
Парциальное давление газа P_г пропорционально процентному содержанию n данного газа и величине абсолютного давления P_абсгазовой смеси и определяется по формуле: P_г= P_авсn/100. Проиллюстрировать данный закон можно, сравнив смесь газов в замкнутом объеме с набором гирь различного веса, положенных на весы. Очевидно, что каждая из гирь будет оказывать давление на чашу весов независимо от наличия на ней других гирь.

Закон Генри

Количество газа, растворенного в жидкости, прямо пропорционально его парциальному давлению. Если парциальное давление газа увеличивается в двое, то и количество растворенного газа увеличивается в двое. Когда пловец погружается, P_абс увеличивается, следовательно количество газа вдыхаемого пловцом становится больше и соответственно он в большем количестве растворяется в крови. При всплытии давление уменьшается и растворенный в крови газ выходит в виде пузырей, как при открытии бутылки с газированной водой. Это механизм лежит в основе ДКБ.

Законы гидростатики и гидродинамики

Для воды, как и для газов, вследствие их текучести, выполняется закон Паскаля, определяющий способность этих сред передавать давление. Для тела, погруженного в жидкость, выполняется закон Архимеда, обусловленный действием на поверхность тела давления, создаваемого жидкостью вследствие ее веса (т.е. действием силы тяжести). Для движущихся жидкостей и газов справедлив закон Эйлера-Бернулли.

Закон Паскаля

Давление на поверхность жидкости (или газа), произведенное внешними силами, передается жидкостью (или газом) одинаково во всех направлениях.

Действие этого закона лежит в основе работы всевозможных гидравлических аппаратов и приборов, в том числе и акваланга (баллоны – редуктор – дыхательный автомат)

Закон Архимеда

На всякое тело, погруженное в жидкость (или газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) сила, направленная вверх, приложенная к центру тяжести вытесненного объема и равная по величине весу вытесненной телом жидкости (или газа).

Q=yV

у – удельный вес жидкости;

V- объем вытесненной телом воды (погруженный объем).

Закон Архимеда определяет такие качества погруженных в жидкость тел, как плавучесть и остойчивость.

Закон Эйлера-Бернулли

Давление текущей жидкости (или газа) больше в тех сечениях потока, в которых скорость движения меньше, и наоборот, в тех сечениях, в которых скорость движения больше, давление меньше.