Естественные науки

Вопрос к физикам: как давление влияет на внутреннюю энергию паров воды в воздухе?

При детонации (сверхзвуковом горении) образуется ударная волна, состоящая из областей высокого и низкого давлений. При этом в последней может произойти мгновенная конденсация водных паров воздуха, получится кратковременное "водное" облако.
Зависимость внутренней энергии от температуры понятна: есть формула, преподаваемая еще в школе (i/2*n[кол-во вещества] *R*T), и простое объяснение на микроуровне. Что касается формулы, то, пожалуй, через з. Менделеева-Клапейрона можно получить зависимость внутренней энергии от давления и объема (i/2*p*V) и вроде всё более-менее ясно. Но что с микроуровнем?
С температурой работает так: чем выше температура, тем выше скорость. Значит, тем больше кинетическая энергия, которая является составляющей внутренней энергии. Отсюда и выше внутренняя энергия. С переходом из твердого в газообразное состояние внутренняя энергия увеличивается. В целом, все ясно
Если кто знает и может объяснить, то расскажите таким же простым языком о том, как зависит внутренняя энергия от давления на микроуровне. Почему пары в зоне низкого давления конденсируются? Спасибо
Сергей Шутов
Сергей Шутов
133
Давайте от простого к сложному.
1. Идеальный газ. На практике одноатомный при давлении до сотен атмосфер.
В этом случае (на микроуровне) U (внутр. энергия) - кинетическая энергия поступательного движения атомов газа. Для одной частицы на каждую поступательную степень свободы приходится (в среднем) энергия kT/2 (k - пост. Больцмана). Степеней 3 - отсюда средняя Екин - 3/2 kT.
Итак имеем два вывода
а) Т - мера кинетической энергии движения частиц газа
б) U = N 3/2 kT - зависит только от Т и общего числа частиц газа.

Иногда возникает путаница с зависимостью U от давления, т. к. P пропорциональна величине U в единице объема. (отметим, что размерность давления Па=Н/м2=Н*м/м3=Дж. м3)
P=nkT= n 2/3 Екин = N/V 2/3 Екин = 2/3 U/V
2. Для неидеальных газов внутренняя энергия это все виды движения и взаимодействия молекул газа + энергия внутриатомная.
Екин - поступательного движения центра масс молекулы
Екин - вращательного и колебательного движения атомов в молекуле
Потенциальная энергия взаимодействия молекул между собой.
Энергия электронов молекулы
Внутриядерная энергия.
(М. б. я что-то и пропустил - список длинный, но подход понятен)

Как и для механической энергии физическим смыслом обладает изменение величины U
Т. е. если в рассматриваемой задаче не идут ядерные реакции, химические реакции, нет ионизации или возбуждения электронных уровней, то в расчет принимаем только Вращательную и колебательную энергии. (Если плотность газа мала - то расстояние между молекулами большое и потенциальной энергией взаимодействия молекул друг с другом можно пренебречь).
На каждую вращательную степень свободы приходится энергия kT/2, на каждую колебательную степень свободы приходится энергия kT (в 2 раза больше).
3. Пример про детонацию - зачем? Процесс сложный - сначала горение при адиабатическом нагреве на фронте детонационной волны, затем быстрое расширение с охлаждением, все неравновесно, много нюансов (например, при детонации смеси горючего газа с воздухом, скорость волны детонации на порядок превышает скорость звука т. е. скорость движения молекул газа)
Юрий Фомин
Юрий Фомин
10 157
Лучший ответ
Сергей Шутов Ого. Ваш ответ отдаёт пониманием многих процессов) Но я понял всё. И хотя всё-таки точного понимания еще не получил, но, возможно, приблизился к пониманию: давление напрямую не влияет на внутреннюю энергию? Лишь косвенно, верно?
К 3 пункту: просто заинтересовался разницей м/у детонацией и дефлаграцией. Узнал, что то ли при взрыве, то ли при детонации (а это разные штуки, оказывается) происходит конденсация паров. Например, тот же ядерный гриб состоит из воды (и пыли), а так же после ядерного взрыва вполне возможны осадки: ливни, дожди и т. п. И в источнике, что я изучал, было указано, что конденсация происходит из-за низкого давления. И я такой, мол, "чего? как это?". Через формулы зависимость я понимаю, но хотел понять сущность процесса, а не мат. часть. Потому и задался вопросом тут
Потому, что энергии молекул маловато что бы оторваться от той спонтанной капельки кондэнсата. Зябко ж. Как цыплята греюцца друг об дружку.
V*
Vera ********
96 287
Вообще не понял, в чем вопрос? уравнение Менделеева Клайперона даёт тебе внутреннюю энергию в зависимости от давления? Чего надо ещё? Точку конденсации паров найти? Так найди. По тому же уравнению.
Тамерлан Бекбулатов
Тамерлан Бекбулатов
9 106
Сергей Шутов Хорошо, ставлю вопрос иначе: почему в зоне низкого давления скорость движения молекул уменьшается?

Похожие вопросы