Помещая руку над горячей плитой или над горящей электрической лампочкой, можно почувствовать, что над ними поднимаются тёплые струи воздуха.
Небольшая бумажная вертушка, поставленная над пламенем свечи или электрической лампочкой, под действием поднимающегося нагретого воздуха начинает вращаться (рис. 9, а).
Это явление можно объяснить таким образом. Воздух, соприкасаясь с тёплой лампой, нагревается, расширяется и становится менее плотным, чем окружающий его холодный воздух. Сила Архимеда, действующая на тёплый воздух со стороны холодного снизу вверх, больше, чем сила тяжести, которая действует на тёплый воздух. В результате нагретый воздух «всплывает», поднимается вверх, а его место занимает холодный воздух.
Такие же явления мы наблюдаем и при нагревании жидкости снизу. Нагретые слои жидкости — менее плотные и поэтому более лёгкие — вытесняются вверх более тяжёлыми, холодными слоями. Холодные слои жидкости, опустившись вниз, в свою очередь, нагреваются от источника тепла и вновь вытесняются менее нагретой водой. Благодаря такому движению вся вода равномерно прогревается. Этот процесс становится наглядным, если на дно колбы бросить несколько кристалликов марганцовокислого калия, который окрашивает струи воды в фиолетовый цвет (рис. 9,6).
В описанных опытах мы наблюдали ещё один вид теплопередачи, называемыйконвекция (от лат. конвекцио — перенесение).
Следует помнить, что при конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Так, например, в отапливаемой комнате благодаря конвекции поток тёплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз (рис. 10). Поэтому у потолка воздух всегда теплее, чем вблизи пола.
Различают два вида конвекции: естественную (или свободную) ивынужденную. Так, нагревание жидкости, а также воздуха в комнате являются примерами естественной конвекции. Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
Если жидкости и газы прогревать не снизу, а сверху (см. рис. 6, 7), то конвекция не происходит. Нагретые слои не могут опуститься ниже холодных, более тяжёлых.
Следовательно, для того чтобы в жидкостях и газах происходила конвекция, необходимо их нагревать снизу.
Конвекция в твёрдых телах происходить не может. Вам уже известно, что частицы в твёрдых телах колеблются около определённой точки, удерживаемые сильным взаимным притяжением. В связи с этим при нагревании твёрдых тел в них не могут образовываться потоки вещества. Энергия в твёрдых телах может передаваться теплопроводностью.
Дано:
υ(ср. кв.) = 500 м/с
t = 127°C
m = 1 кг
k = 1,38×10⁻²³ Дж/К
Найти:
N - ?
1) Число молекул, можно найти из соотношений массы вещества в 1 кг к массе одной молекулы:
- Число молекул веществ (1)
2) Запишем основное уравнение молекулярно-кинетической теорий или формулу про (Давление идеального газа) по такой формуле:
(ср. кв.)² - Давление идеального газа (уравнение молекулярно-кинетической теорий) (2)
3) Уравнение состояния из идеального газа определяется по такой формуле:
- Уравнение состояния из идеального газа (3)
4) Для нахождения абсолютной температуры газа определяется по такой формуле:
- Абсолютная температура газа (4)
5) Теперь мы складываем формулы из (2), (3) и (4), мы получим формулу для нахождения массы молекулы:
n×k×T = 1/3 × n×m₀×υ(ср. кв.)² | × 3
3n×k×T = n×m₀×υ(ср. кв.)² | : n
3k×T = m₀×υ(ср. кв.)²
m₀ = (3k×(t+273))/υ(ср. кв.)² ⇒ m₀ = (3k×(t+273))/(υ(ср. кв.)²) - масса молекулы (5)
6) Теперь складываем формулы из (1) и (5) и мы получим формулу для нахождения число молекул газа в 1 кг:
N = m/m₀ = m × 1/m₀ = m × 1/(3k×(t+273))/(υ(ср. кв.)²) = m × (υ(ср. кв.)²)/(3k×(t+273)) ⇒ N = (m×υ(ср. кв.)²)/(3k×(t+273)) - число молекул газа в 1 кг
N = (1 кг × (500 м/с)²)/(3×1,38×10⁻²³ Дж/К × (127+273) К) = (1 кг × 250000 м²/с²)/(4,14×10⁻²³ Дж/К × 400 К) = 250000 Дж / 1656×10⁻²³ Дж = 2,5×10⁵ Дж / 1,656×10⁻²⁰ Дж ≈ 1,5097×10⁵⁻⁽⁻²⁰⁾ молекул = 1,5097×10⁵⁺²⁰ молекул = 1,5097×10²⁵ молекул ≈ 1,51×10²⁵ молекул
ответ: N = 1,51×10²⁵ молекул
