http://www.bioticregulation.ru/pump/pump4_r.phpНаглядная физика
Биотический насос действует так: водяной пар, испарившийся с поверхности леса, конденсируется в атмосфере, из-за этого давление влажного воздуха падает и возникает разрежение, воздух затягивается снизу вверх, чтобы скомпенсировать это разрежение, давление воздуха у поверхности в области подъема падает, и туда затягивается воздух из соседних областей. Если эти соседние области — океан, то на континент будет поступать воздух, обогащенный влагой.
Физика насоса проста. Нужно иметь представление о том, что такое идеальный газ, что такое диффузия и что такое динамический поток газов, а также как зависит концентрация водяного пара от температуры (закон Клапейрона-Клаузиуса). Все эти явления могут быть наглядно проиллюстрированы с использованием интерактивных Flash моделей. Вы можете изменять и измерять давление газа, заставлять воду испаряться, а газовые смеси — диффундировать или образовывать динамический поток. Вы можете также изучить основные компоненты атмосферной циркуляции над лесом, вырубками или пустыней, включая или выключая различные атмосферные процессы. Все модели выполнены для нашего сайта С.К. Бурученко.
Идеальный газ
При проблемах с просмотром Flash кликните здесь для бесплатной установки последней версии Flash Player.
Если какой-то регулятор начнет бесконтрольно ездить, щелкните по нему мышкой.
Сцена I. Уравнение идеального газа
Предлагаемые параметры: Na = 19; Nb = 19; Rb = 1; Ta = 20 К; Tb = 20 К.
Давление газа p зависит от того, (1) как часто и (2) как сильно молекулы ударяются друг о друга и о перегородку. В свою очередь, частота соударений зависит, очевидно, от двух параметров: (1.1) числа молекул N в заданной области пространства и (1.2) средней скорости v их хаотического движения. Чем больше молекул и чем быстрее они движутся, тем чаще будут соударяться. С другой стороны, "сила" соударения, а, точнее, переданный при одном соударении импульс, зависит от (2.1) массы молекулы m и, опять-таки, (2.2) скорости молекулы v. Чем тяжелее молекулы и чем быстрее они движутся, тем сильнее будут ударять друг о друга при столкновении. Таким образом, давление p пропорционально произведению Nvmv или Nmv2.
Точным является выражение p = N(2/3)mv2/2, в котором учтено, что (a) при ударе молекулы о стенку передается импульс 2mv (молекула до удара о стенку летела налево со скоростью v, после удара полетела направо с той же скоростью, изменение скорости равно 2v) (множитель 2), (б) только половина молекул в среднем летит по направлению к рассматриваемой стенке (остальные в другую сторону) (множитель 1/2), и (в) молекулы движутся в трехмерном пространстве, поэтому только одна треть квадрата скорости соответствует движению в заданном направлении (множитель 1/3).
Произведение mv2/2 является кинетической энергией молекулы. Абсолютная температура газа T пропорциональна кинетической энергией молекулы. Она определена так: mv2/2 = 3/2 kT. Здесь константа Больцмана k = 1.38 × 10−23 Дж/градус Кельвина/молекулу — коэффициент пропорциональности, равный двум третям кинетической энергии молекулы газа, имеющего температуру 1 Кельвин. Подставляя определение температуры в выражение для давления, получаем уравнение состояния идеального газа: p = NkT. Давление газа пропорционально его концентрации (числу молекул в заданном объеме) и температуре.
Попробуйте увеличить температуру газа в одной из частей сосуда, и Вы увидите, как пропорционально ей возрастет давление, отображаемое на зеленой горизонтальной шкале.
Сцена II. Давление идеального газа не зависит от природы молекул!
Предлагаемые параметры: Na = 14; Nb = 14; Rb = 1.9; Ta = 101 К; Tb = 101 К.
Это важнейшее свойство идеального газа: его давление зависит только от числа молекул и температуры, но не от того, какие это молекулы. Например, при конденсации водяного пара в атмосфере и исчезновению его из газовой фазы, падает общее давление атмосферного воздуха.
Если температура в обеих частях сосуда a и b одинакова, следовательно, одинакова и кинетическая энергия молекул mava2/2 = mbvb2/2, где ma и va — масса и скорость молекул в сосуде a. Полагая, что масса молекулы пропорциональна кубу ее радиуса, получим, что при одинаковой температуре увеличение радиуса молекул в сосуде b в x раз приведет к уменьшению их скорости vb в x3/2 раз. Однако, хотя молекулы будут двигаться медленнее и ударять о стенку реже, зато, за счет своей большей массы, они будут каждый раз ударять о стенку сильнее, чем молекулы в сосуде a.
Таким образом, при одинаковом числе молекул в сосудах и одинаковой температуре, давление будет всегда одинаково, каким бы ни был размер молекул в сосуде b. Вы можете убедиться в этом, задавая различные значения относительного радиуса молекул Rb (Rb — отношение радиусов молекул в правой и левой части сосуда).
Если у Вас есть вопросы, Вы можете задать их здесь.
Регуляторы числа молекул для левой и правой частей сосуда. Подвиньте регуляторы вниз до упора, а затем нажмите
на звездочку справа от копирайта. Молекул станет много. Вы можете задать разное число молекул в левой и правой частях сосуда.
Текущее число молекул в сосуде отображается на желтых шкалах.
Регуляторы температуры. Можно изменять температуру от 1 до 101 градуса Кельвина, т.е. от −272 до −172 градусов Цельсия.
По красным шкалам легко судить о том, насколько различается температура газа в двух частях сосуда.
Регулятор относительного радиуса молекул в правом сосуде. Подвиньте его вниз до упора, а затем
нажмите на звездочку справа от копирайта. Молекулы существенно увеличатся. Чтобы они двигались побыстрее,
увеличьте температуру.
Индикаторные шкалы давления газа. По различию их состояния можно судить о разнице давлений газа в двух частях сосуда.
Наверх