- Она крайне нерегулярна..."
(научно-технический фольклор)
Первая серия: почему?
Serg173 писал(а):Целью эксперимента было подтвердить или опровергнуть утверждение Максима Васильева о том, что гелий нагревается при выходе из баллона.
....
Ты хочешь сказать, что при снижении давления во время выхода газа из баллона, температура этого газа растет?
Serg173 писал(а):гелий, при выходе из баллона ОХЛАЖДАЕТСЯ.
daw писал(а):А есть газы, которые при такой процедуре нагреваются?
Serg173 писал(а):Как выясняется, не все знают про то, что гелий при экспансии охлаждается
Прошу прощения за краткий пересказ предыдущих серий...web писал(а):Есть. называется Учебник "Физика-7" там типа написано "Газообразные тела ведут себя аналогично: при нагревании увеличивают свое давление на окружающие тела, а при охлаждении – уменьшают."BKC писал(а):Serg173! Поверьте, что далеко не все до одного знают, что Земля круглая!... Чёртова прорва людей вообще не знают, что такое гелий.... Ну книжки ж для этого есть...
...я с радостью оторву свою жопу от стула, схожу в книжный, куплю НОВУЮ книжку и подарю ему потому что слова "я инструктор" как-то не сочитаются со его приведенной цитатой о нагревании газа при его экспанзии.
Хотя, щас потребуют доказать что газ при выходе из баллона уменьшает свое давление......
Поскольку халявное пиво похоже никак не светит, хотелось бы хоть как-то кратко (оставаясь в пределах разумности) закончить эту бодягу с поведением гелия, выпускаемого на свободу.
(Сразу скажу - что такое "экспансия", я не понимаю и понимать не хочу. Т.е. это слово в русском языке не имеет отношения к газам. Так что если я сейчас не о том буду - извиняйте. Sorry...
)Пару слов для "понимания", хотя они собственно уже были сказаны другими - прошу прощения за повтор и отсутствие ссылок.
Всё, на чём основана "интуиция" большинства, называется законы идеальных газов. Это многие помнят со школы и "проходили" на курсах OWD (или каких там ещё). Без комментариев.
За исключением одного. Просто чтобы освежить в памяти всем хорошо известные вещи. Идеальный газ - это упрощённая модель: газ невзаимодействующих молекул. Т.е. летают себе маленькие такие жёсткие шарики и изредка сталкиваются друг с другом. Совершенно жёсткие шарики(!), как бильярдные шары, но оооооочень маленькие! При соударениях они не деформируются. Это - идеальный газ.
На самом деле жизнь, даже у молекул, несколько сложнее...
И... внимание! - поведение гелия должно бы быть гораздо более понятным на интуитивном уровне. Ибо оно очень естественно! Увы... читай эпиграф... Так вот. Не бывает в природе абсолютно твёрдых шариков. Даже бильярдные шары в момент удара чуть-чуть меняются в размере. Но лучше рассмотим соударение резиновых мячиков - это всякому понятно. Летят два мячика навстречу друг другу. Столкнувшись они упруго сжимаются и - на какой-то миг - останавливаются. Что нам физика тут говорит (sorry)? Кинетическая энергия их полёта перешла в потенциальную энергию деформации мячиков (резины). В следующий момент мячики упруго восстановили форму, оттолкнули друг друга и полетели в разные стороны. (Потенциальная энергия опять перешла в кинетическую.) Понятно вроде?
Собственно это и объясняет поведения гелия...
Летают эти маленькие "резиновые мячики" - атомы гелия и изредка сталкиваются. Пока их плотность (штук в баллоне) мала - это идеальный газ, про него даже OWDы всё знают. Теперь газ сжали и мячиков гелия в быллоне стало очень много. Так много, что момент соударения (атомы деформированы) занимает существенную часть времени в жизни гелия. Это значит, что много деформированных/сжатых атомов-мячиков. Упругая деформация - это запас потенциальной энергии. Следовательно, молекулы сжатого гелия в баллоне обладают не только кинетической энергией (энергия движения или, что более понятно - температура газа), но имеют ещё и некоторый запас потенциальной энергии. Энергии, запасённой в этих сжатых атомах. Теперь если вдруг уменьшить давление во много раз, атомы разлетятся, "распрямятся" и эта внутренняя энергия выделится. А раз появилась избыточная энергия... правильно - газ должен нагреться!
Теперь всё понятно на уровне интуиции. Не правда ли?
Увы... По ряду причин все имеют совершенно другой опыт и, следовательно, интуиция... хммм... ну, подсказывает другое.
Во-первых, гелий не самый распространённый газ в обычной жизни. Даже в жизни "технодайверов". А почти все остальные газы имеют ещё и другие особенности. (Чуть ниже.)
Во-вторых, в обычной жизни газ при расширении совершает работу. Лопнул воздушный шарик, выстрелило пневматическое ружьё, взорвался баллон. Практически всегда расширяющийся газ производит механическую работу и потому остывает.
Здесь уже упоминали эффект Джоуля-Томпсона. Иллюстрирующий его опыт с одноимённым названием как раз и демонстрирует уменьшение давления газа без совершения механической работы. Сжатый газ пропускают через очень микропористый фильтр, на котором давление и падает. В отличие от свободного выхода из баллона по трубе, в эксперименте Джоуля-Томпсона давление газа уменьшается при просачивании через пористый фильтр, и газ выходит из него медленно, не создавая потока и не производя никакой работы! Измеряя температуру выше и ниже фильтра можно понять каков "чистый" эффект уменьшения давления. В случае же вытекания газа по трубке этот эффект маскируется охлаждением за счёт совершённой работы.
Так вот - гелий при падении давления будет нагреваться, как мы интуитивно поняли выше.
Вот так коротенько...
А что с другими газами? Молекулы большинства газов кроме рассмотренного выше "элластичного" столкновения склонны ещё и притягиваться друг к другу при сближении. (Предположим, что наши элластичные мячики-молекулы ещё и намагничены слегка так, что паритягивают друг друга как маленькие магнитики.) Притяжение это очень слабое и на свойства разреженного газа почти не влияет. А вот когда давление газа большое и молекулы проводят значительную часть своей жизни в состоянии столкновения, т.е. близко друг к другу - газ "перестаёт быть идеальным". Благодаря этим слабым взаимодействиям, молекулы притягиваются друг к другу на коротких расстояниях, им энергетически выгодно быть вместе. Они бы и вообще слиплись, образовав жидкость... да скорость их движения слишком велика (т.е. кинетическая энергия и температура слишком велики). Соответственно потенциальная энергия молекул в сжатом газе ниже именно потому, что им выгоднее быть рядом. (Находясь рядом при столкновении они как бы сидят в ямке, нарисованной v_Alexey'ем пару страниц назад.) Соответственно, при уменьшении давления, при разлёте молекулам надо выскочить из этих "энергетических" ямок. Для этого нужна энергия и газ, отдав эту энергию, охладится в эксперименте Джоуля-Томпсона.
Почему такого охлаждения нет в случае гелия? Молекула гелия очень маленькая и имеет мало электронов, которые и могли бы собственно образовать такие "связи-магнитики". Поэтому существует только отталкивание при соударении атомов-мячиков. По этой же причине и водород будет нагреваться в таком опыте.
На самом деле такая "энергетическая" ямка для сталкивающихся молекул существует и у гелия и у водорода! Только она оооооооочень мелкая и при обычных скоростях полёта молекулы её как бы не замечают. (Больше скорость - меньше ям!) А вот при очень-очень низких температурах, когда молекулы гелия движутся существенно медленнее, они начинают эту ямку "замечать". Начиная с какой то температуры они её очень даже замечают и... Ну да, всё правильно - гелий тоже будет охлаждаться при понижении давления, но только при очень низких температурах. Водород - при более высоких. Неон (есть и такой лёгкий инертный газ, живущий в неоновых лампочках) - при ещё большей температуре. Чем больше/сложнее молекула, тем выше температура при которой бегающие молекулы перестают замечать эту ямку. При комнатной температуре все остальные газы "чувствуют" межмолекулярное притяжение и, соответственно, охлаждаются при уменьшении давления.
Не было бы "технодайверов", мы так и не узнали бы о забавных свойствах гелия. О его теплоёмкости, теплопроводности, а теперь вот и об эффекте Джоуля-Томпсона....
Sorry за оооочень много буков, но улучшать текст - только за пиво.
