Явление гидравлического удара, заключающегося в резком увеличении давления при внезапном падении скорости потока жидкости, нашло свое воплощение в устройствах, называемыми гидравлическими таранами.
Это, в сущности, насос без двигателя, который, не требуя подключения дополнительного источника энергии, использует только потенциал небольшой плотины или даже просто естественного рельефа реки. Гидротаран способен нагнетать жидкость на высоту в 10—20 раз большую, чем высота используемой плотины. Вода от источника самотеком подается по длинному напорному трубопроводу, идущему с небольшим понижением. Под действием нарастающего динамического напора воды закрывается отбойный клапан, расположенный на нижнем конце трубопровода, и вследствие инерции движущейся воды и её несжимаемости давление здесь резко повышается. Кратковременного повышения давления достаточно для подъема небольшой части воды через напорный клапан на высоту более 50 м. Затем отбойный клапан открывается, и все повторяется сначала.
Гидравлический таран действует только за счет импульса движущегося столба воды, без какого-либо двигателя. Применяется для полива сельхозкультур, для водоснабжения небольших строек, для подачи воды на пастбища, расположенные в 10-20 км от реки и т.д.
Задание1. Что представляет собой явление гидравлического удара? Каковы условия его возникновения?
Задание2. Назовите причину возникновения повышения давления в нижнем конце трубопровода гидравлического тарана.
Задание3. Гидротаран использовали еще в начале XX века, однако потом он был не заслуженно забыт. С какими проблемами связан наряду с использованием новейших технологий возврат к старым изобретениям человечества?
Задание4. Чем обусловлена необходимость установления в трубах теплосетей специальных устройств — стабилизаторов давления?
Текст1.Тепловое излучение
Все окружающие нас тела излучают электромагнитные волны. При комнатной температуре все тела излучают невидимые инфракрасные волны. Кусок железа, нагретый до 550°С, излучает свет красного цвета. По мере повышения температуры железа цвет излучения меняется: при 1000°С становится желтым, при 1500°С – белым. Таким образом, максимум излучения при нагревании тела смещается в область высоких частот (коротких длин волн). На рисунке представлены кривые интенсивности излучения для тел разной температуры. При температуре примерно 5700°С (температура фотосферы Солнца) максимум излучения приходится на область видимого света.
Рисунок. Зависимость интенсивности излучения от частоты для тел разной температуры
Тела не только излучают, но и поглощают энергию. Тело, полностью поглощающее все падающее на него излучение, называется абсолютно черным. Если температура тела выше температуры окружающей среды, то излучение преобладает над поглощением и тело охлаждается.
Теплокровным животным и человеку для поддержания температуры тела необходимо постоянно пополнять энергию. Причем чем меньше размеры тела, тем больше должна быть удельная скорость тепловыделения в организме. Пища и кислород являются исходными веществами биологических реакций, в результате которых образуются белки, ферменты и другие химические соединения, запасающие энергию.
Задание №1
Скорость тепловыделения, рассчитанная на1 кг массы тела, имеет максимальное значение для
1) кита
2)слона
3)человека
4)Мыши
Задание №2
Железную деталь, имеющую температуру 1000°С, охладили на 400°С. Что из перечисленного ниже верно описывает изменение в излучении этой детали?
1) цвет излучения изменился с белого на желтый
2) цвет излучения изменился с желтого на красный
3) деталь перестала излучать в инфракрасной области
4) максимум излучения сместился в область ультрафиолета
Задание №3
В таблице представлена спектральная классификация звезд.
Спектральный класс звезды
Температура фотосферы, °С
O
26000–35000
В
12000–25000
А
7700–11000
F
5900–7600
G
4700–5800
К
3200–4600
М
2300–3100
Согласно этой спецификации Солнце принадлежит к звездам класса
1) A
2) F
3) G
4) K
Текст 2. Экспериментальное открытие закона эквивалентности тепла и работы.
В 1807 г. физик Ж. Гей-Люссак, изучавший свойства газов, поставил простой опыт. Давно было известно, что сжатый газ, расширяясь, охлаждается. Гей-Люссак заставил газ расширяться в пустоту — в сосуд, воздух из которого был предварительно откачан. К его удивлению, никакого понижения температуры не произошло, температура газа не изменилась. Исследователь не мог объяснить результат: почему один и тот же газ, одинаково сжатый, расширяясь, охлаждается, если его выпускать прямо наружу в атмосферу, и не охлаждается, если его выпускать в пустой сосуд, где давление равно нулю?
Объяснить опыт удалось немецкому врачу Роберту Майеру. У Майера возникла мысль, что работа и теплота могут превращаться одна в другую. Эта замечательная идея сразу дала возможность Майеру сделать ясным загадочный результат в опыте Гей-Люссака: если теплота и работа взаимно превращаются, то при расширении газа в пустоту, когда он не совершает никакой работы, так как нет никакой силы (давления), противодействующей увеличению его объема, газ и не должен охлаждаться. Если же при расширении газа ему приходится совершать работу против внешнего давления, его температура должна понижаться. Даром работу получить нельзя! Замечательный результат Майера был много раз подтвержден прямыми измерениями; особое значение имели опыты Джоуля, который измерял количество теплоты, необходимое для нагревания жидкости, вращающейся в ней мешалкой. Одновременно измерялись и работа, затраченная на вращение мешалки, и количество теплоты, полученное жидкостью. Как ни менялись условия опыта, брались разные жидкости, разные сосуды и мешалки, результат был один и тот же: всегда из одной и той же работы получалось одно и то же количество теплоты.
Рис.1 Упрощенная схема опыта Джоуля по определению механического эквивалента теплоты.
Задание №1
В опыте Ж. Гей-Люссака газ, расширяющийся в пустой сосуд, не охлаждается, потому что
1)теплота в этом процессе полностью превращалась в работу
2)газ совершал работу против атмосферного давления
3)теплота в этом процессе полностью поглощалась сосудом
4)газ не совершал работы, так как давление в сосуде равно нулю
Задание №2
В опытах Джоуля внутренняя энергия жидкости увеличивается благодаря
1)теплопередаче с окружающей средой
2)теплопередаче с вращающейся мешалкой
3)совершению работы над жидкостью
4)совершению работы самой жидкостью
Задание №3
В процессе рабочего хода в двигателе внутреннего сгорания газы, образовавшиеся при сгорании топлива, расширяются и
1)охлаждаются
2)нагреваются
3)сначала нагреваются, потом охлаждаются
4)сначала охлаждаются, потом нагреваются
Текст 3. Охлаждающие смеси
Возьмём в руки кусок сахара и коснёмся им поверхности кипятка. Кипяток втянется в сахар и дойдёт до наших пальцев. Однако мы не почувствуем ожога, как почувствовали бы, если бы вместо сахара был кусок ваты. Это наблюдение показывает, что растворение сахара сопровождается охлаждением раствора. Если бы мы хотели сохранить температуру раствора неизменной, то должны были бы подводить к раствору энергию. Отсюда следует, что при растворении сахара внутренняя энергия системы сахар–вода увеличивается.
То же самое происходит при растворении большинства других кристаллических веществ. Во всех подобных случаях внутренняя энергия раствора больше, чем внутренняя энергия кристалла и растворителя при той же температуре, взятых в отдельности.
В примере с сахаром необходимое для его растворения количество теплоты отдаёт кипяток, охлаждение которого заметно даже по непосредственному ощущению.
Если растворение происходит в воде при комнатной температуре, то температура получившейся смеси в некоторых случаях может оказаться даже ниже 0 °С, хотя смесь и остаётся жидкой, поскольку температура застывания раствора может быть значительно ниже нуля. Этот эффект используют для получения сильно охлажденных смесей из снега и различных солей.
Снег, начиная таять при 0 °С, превращается в воду, в которой растворяется соль; несмотря на понижение температуры, сопровождающее растворение, получившаяся смесь не затвердевает. Снег, смешанный с этим раствором, продолжает таять, забирая энергию от раствора и, соответственно, охлаждая его. Процесс может продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута температура замерзания полученного раствора. Смесь снега и поваренной соли в отношении 2 : 1 позволяет, таким образом, получить охлаждение до –21 °С; смесь снега с хлористым кальцием (CaCl2) в отношении 7 : 10 – до –50 °С.
Задание №1
Внутренняя энергия раствора по сравнению с суммой внутренней энергии кристалла и растворителя при той же температуре в большинстве случаев
1)больше
2) меньше
3)такая же
4)пренебрежимо мала
Задание №2
Где ноги будут мерзнуть меньше: на заснеженном тротуаре или на таком же тротуаре, посыпанном солью при такой же температуре?
1)на заснеженном тротуаре
2)на тротуаре, посыпанном солью
3)одинаково на заснеженном тротуаре и на тротуаре, посыпанном солью
4)ответ зависит от атмосферного давления
Задание №3
Что происходит с температурой воды при растворении в ней сахара?
1)не изменяется
2)повышается
3)понижается
4)характер изменения температуры зависит от температуры окружающей среды
Текст 4. Ветер
Атмосфера всегда охвачена движением, более или менее быстрым. Движение воздуха, направленное вдоль земной поверхности (параллельно ей), называется ветром. Ветер в 3–5 м/с – слабый ветер, только колеблющий ветки деревьев, а ветер в 13–15 м/с сильный, мешающий пешеходу идти ему навстречу и поднимающий пенящиеся волны в море. Кроме скорости ветра определяют также и его направление: откуда дует ветер – с севера, северо-востока и т. д. Энергия ветра используется в ветряных мельницах и насосах, в ветросиловых и ветроэнергетических установках, с её помощью движутся парусные суда и проч. Использование энергии ветра тем выгоднее, чем устойчивее и сильнее ветры в данной местности. Ветроэнергетические и ветросиловые установки лучше всего применять в степной местности, на открытых берегах морей и т. д.
Движение воздуха происходит от мест и областей, где давление воздуха больше, к тем местам, где давление на том же самом уровне относительно земли меньше. Различия в давлении воздуха вызываются разными причинами. Например, морской бриз возникает из-за неодинакового нагревания поверхности земли и воды солнцем, а также разной скорости их охлаждения ночью. В летний день почва на побережье нагревается сильнее, чем поверхность моря.
Действительно, в сравнительно прозрачной воде тепло солнечных лучей распространяется на значительную глубину, и изменение температуры поверхности будет мало, в то время как на суше нагревается лишь самый поверхностный слой почвы, которая к тому же обладает меньшей удельной теплоёмкостью (около 1 кДж/(кг°С)). Воздух над сушей нагревается сильнее, чем над водой, и поднимается вверх, так как его плотность меньше, чем плотность находящегося вокруг холодного воздуха. В результате давление у земли уменьшается, и к месту пониженного давления притекает более холодный воздух с моря. Такой поток и называется дневным бризом. Ночью наблюдают обратное явление: суша, прогретая за день только в тонком слое, остывает быстрее, чем вода. Остывает и увеличивает свою плотность и воздух над сушей. Так возникает ветер от берега к морю.
Аналогично происхождение ветров, меняющихся от лета к зиме и называемых муссонами. В Азии летом температура воздуха может превышать 50 °С и давление воздуха сильно понижается. В результате мощный поток более холодного воздуха с грозами и ливнями вторгается с моря в конце мая или начале июня в Индию. Зимой над Сибирью и Центральной Азией давление воздуха возрастает, и холодный воздух течёт оттуда на восток – на Японское и Жёлтое моря и на юг – к берегам Индийского океана. Аналогичные сменяющиеся муссоны наблюдаются, например, над Африкой.
Задание №1
Летом в 9 часов утра температура воды и поверхности земли была одинаковой. Во сколько раз изменение температуры поверхности земли будет больше изменения температуры воды, если считать, что вся энергия солнечного излучения идёт на нагревание, а сравниваемые массы воды и земли равны?
1) 420
2)4,2
3)2,4
4)0,24
Задание №2
Дневным бризом называют поток воздуха, дующий
1) с моря на сушу
2)с суши на море
3)вдоль морского побережья в дневное время
4)вверх в направлении движения тёплого воздуха
Задание №3
Выберите верное утверждение.
1) В солнечную погоду водная поверхность сильнее поглощает солнечный свет, чем земля, и нагревается быстрее.
2)Ночью и вода, и суша остывают одинаково.
3)В солнечную погоду земля нагревается быстрее, чем вода, поскольку удельная теплоёмкость поверхностного слоя земли много меньше, чем удельная теплоёмкость воды.
4)Ночью суша остывает медленнее, чем вода, поскольку вода обладает очень большой удельной теплоёмкостью.
Занятие 4
Текст 5. Гейзеры
Гейзеры располагаются вблизи действующих или недавно уснувших вулканов. Для извержения гейзеров необходима теплота, поступающая от вулканов. Чтобы понять физику гейзеров, напомним, что температура кипения воды зависит от давления (см. рисунок).
Зависимость температуры кипения воды от давления
Представим себе 20-метровую гейзерную трубку, наполненную горячей водой. По мере увеличения глубины температура воды растёт. Одновременно возрастает и давление: оно складывается из атмосферного давления и давления столба воды в трубке. При этом везде по длине трубки температура воды оказывается несколько ниже температуры кипения, соответствующей давлению на той же глубине. Теперь предположим, что по одному из боковых протоков в трубку поступила порция пара. Пар вошёл в трубку и поднял воду до некоторого нового уровня, а часть воды вылилась из трубки в бассейн. При этом температура поднятой воды может оказаться выше температуры кипения при новом давлении, и вода немедленно закипает.
При кипении образуется пар, который ещё выше поднимает воду, заставляя её выливаться в бассейн. Давление на нижние слои воды уменьшается, так что закипает вся оставшаяся в трубке вода. В этот момент образуется большое количество пара; расширяясь, он с огромной скоростью устремляется вверх, выбрасывая остатки воды из трубки, – происходит извержение гейзера.
Но вот весь пар вышел, трубка постепенно вновь заполняется охладившейся водой. Время от времени внизу слышатся взрывы: это в трубку из боковых протоков попадают порции пара. Однако очередной выброс воды начнётся только тогда, когда вода в трубке нагреется до температуры, близкой к температуре кипения.
Задание №1
В каком агрегатном состоянии находится вода при температуре 110 0С?
1. Только в твердом
2. Только в жидком
3. Только в газообразном
4. Ответ зависит от внешнего давления
Задание №2
Какое(-ие) утверждение(-я) справедливо(-ы)?
А. Жидкость можно заставить закипеть, увеличивая внешнее давление при неизменной температуре.
Б. Жидкость можно заставить закипеть, увеличивая её температуру при неизменном давлении.
1)только А
2)только Б
3)и А, и Б
4) ни А, ни Б
Задание №3
В гейзерную трубку из бокового протока поступила порция пара. Над паром остался столб воды высотой 10 м. Вода на этой глубине находится при температуре 121 °С. Атмосферное давление 105 Па. При этом вода в трубке
1)будет перемещаться вниз под действием атмосферного давления
2)останется в равновесии, так как её температура ниже температуры кипения
3)быстро охладится, так как её температура ниже температуры кипения на глубине 10 м
4)закипит, так как её температура выше температуры кипения при внешнем давлении 2⋅105 Па
Текст 6. Тройная точка
Можно создать условия, при которых пар, жидкость и твёрдое состояние могут попарно существовать в равновесии. Могут ли находиться в равновесии все три состояния? Такая точка на диаграмме давление – температура существует, её называют тройной.
Если поместить в закрытый сосуд, в котором создан вакуум, при 0 °С воду с плавающим льдом, то в свободное пространство начнут поступать водяные (и «ледяные») пары.
При давлении 4,6 мм рт. ст. наступит состояние динамического равновесия, когда количество испарившихся молекул равно количеству сконденсировавших. Теперь три фазы ––лёд, вода и пар – будут в состоянии равновесия. Эта точка и есть тройная.
Соотношения между различными состояниями наглядно показывает диаграмма для воды, изображённая на рисунке.
Кривые на рисунке – это кривые равновесия между льдом и паром (кривая (в)), льдом и водой (кривая (а)), водой и паром (кривая (б)). По вертикали, как обычно, откладывается давление, по горизонтали – температура.
Три кривые пересекаются в тройной точке и делят диаграмму на три области: лёд, вода и водяной пар.
Диаграмма состояния позволяет дать ответ на вопрос, какое агрегатное состояние вещества достигается в равновесии при определённом давлении и определённой температуре.
Если в условия, соответствующие области «лёд» на графике, поместить воду или пар, то они станут льдом. Если для жидкости или твёрдого тела создать условия, соответствующие области «пар», то получится пар, а условия области «вода» приведут к тому, что пар будет конденсироваться, а лёд – плавиться.
Диаграмма существования фаз позволяет сразу же ответить на вопрос, что произойдет с веществом при нагревании или сжатии.
На рисунке изображены две такие линии, одна из них (линия (1)) – это нагревание при нормальном давлении. Линия лежит выше тройной точки. Поэтому она пересечёт сначала кривую плавления, а затем, за пределами чертежа, и кривую испарения. Лёд при нормальном давлении расплавится при температуре 0 °С, а образовавшаяся вода закипит при 100 °С.
Иначе будет обстоять дело для льда, нагреваемого при очень небольшом давлении, скажем, чуть ниже 4,6 мм рт. ст.
Процесс нагревания изобразится линией, идущей ниже тройной точки. Кривые плавления и кипения не пересекаются этой линией. При таком незначительном давлении нагревание приведёт к непосредственному переходу льда в пар, твёрдое вещество будет прямо превращаться в пар.
Задание №1
Тройной точкой воды называют такие значения температуры и давления, при которых вода находится одновременно
1)только в жидком и газообразном состояния
2)только в твёрдом и газообразном состояниях
3)только в жидком и твёрдом состояниях
4)в твёрдом, жидком и газообразном состояниях
Задание №2
Что произойдет со льдом при температуре и давлении, заданных точкой Б на диаграмме состояния воды?
1)останется льдом
2)превратится в пар
3)превратится в жидкость
4)превратится частично в пар, частично в жидкость
Задание №3
Какая(-ие) линия(-и) на диаграмме характеризует(-ют) процесс плавления?
1. Кривая а
2. Кривая б
3. Кривая в
4. Кривые а и б
Дата: 2019-12-09, просмотров: 911.
