Раздел I. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Тема 1. Д А В Л Е Н И Е
Внутри жидкостей и газов повсюду действуют силы давления.
Давление – физическая величина, равная отношению силы, действующей нормально поверхности, к площади этой поверхности. Если на поверхность действует неизменная сила (F=const), то для давления имеем следующее математическое выражение:
В общем случае, когда на поверхность действует переменная сила (F≠const), формула принимает дифференциальный вид:
,
где: F – сила (измеряется в Ньютонах [Н]),
S – площадь поверхности (измеряется в кв.метрах[м2]),
р – давление.
Давление является скалярной величиной. Его единица измерения в СИ:
[р]=Н/м2=Паскаль(Па).
В технике часто используют единицы давления, не входящую в СИ:
· Бар: 1бар = 105 Па;
· техническая атмосфера: 1ат = 0,980665·105 Па = 0,98 бар;
· физическая атмосфера: 1атм = 1,01325·105 Па = 1,01 бар;
· миллиметр ртутного столба: 1мм рт.ст. = 
атм.
ДАВЛЕНИЕ В ЖИДКОСТЯХ И ГАЗАХ
В жидких и газообразных средах при любых условиях выполняются следующие закономерности:
1. Закон Дальтона.
Формулировка:
Даление смеси газов равно сумме парциальных давлений компонентов этой смеси:
Парциальное давление - это давление отдельно взятой компоненты смеси газов (или жидкостей)
2. Закон Паскаля.
Этот законформулируется следующим образом:
Давление, производимое на покоящуюся жидкость или газ, передается в любую точку жидкости или газа одинаково по всем направлениям.
Закон назван в честь французского учёного Блеза Паскаля. На основе закона Паскаля работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, прессы и др.
Данный закон является прямым следствием отсутствия сил трения покоя в жидкостях и газах.
3. Давление столба жидкости или газа.
В каждой жидкости или газе существует давление, обусловленное их собственным весом. Математическое описание зависимости давления p от высоты столба h жидкости или газа вам известно из школьного курса физики:
p=ρgh,
где ρ – плотность вещества,
g=9,8м/с2 – ускорение свободного падения,
h – высота столба жидкости или газа.
По мере изменения высоты столба будет изменяться и это изменение давления описывается дифференциальной формулой:
dp=ρgdh,
где dр – изменение давления,
dh – изменение высоты столба жидкости или газа.
АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ. БАРОМЕТРИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА
Собственный вес столба воздуха создает так называемое атмосферное давление, которое действует на все тела, находящиеся в пределах Земли и ее атмосферы. Атмосферное давление обусловлено весом выше лежащих слоев воздуха. Очевидно, что оно будет меняться в зависимости от высоты над поверхностью Земли: давление на вершине горы априори меньше, чем давление на уровне моря.
Вблизи земной поверхности при подъеме на каждые 8 м атмосферное давление падает на 100 Па = 1 мбар.
Из последней формулы путем математических преобразований следует формула зависимости атмосферного давления от высоты на уровнем моря.
Для упрощенного случая, когда температура воздуха постоянна, зависимость атмосферного давления от высоты над поверхностью Земли описывается так называемой барометрической формулой:
(Т= const)
где р – давление на высоте h,
ро – давление на уровне моря (h=0),
М – молярная масса газа (для воздуха М=0,029 кг/моль)
h – высота, на которой измеряется атмосферное давление,
R – универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/(моль·К)),
T – температура (по шкале Кельвина, ОºК= ─273,15…ºС),
е – экспонента (е = 2,71828).
Данная экспоненциальная зависимость описывается графиком, изображенном на рисунке:
р
р0
0 h
Для характеристики атмосферного давления, как правило, используют единицы измерения, не входящие в СИ: миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) и физическая атмосфера (атм).
● На уровне моря среднегодовое атмосферное давление составляет
рн=1,01325·105 Па = 760 мм рт. ст. = 1 атм (при среднегодовой температуре 15ºС) –
это значение считается нормальным атмосферным давлением;
● Атмосферное давление зависит от места измерения, температуры воздуха и погоды;
● Многие устройства действуют только благодаря наличию атмосферного давления
(пипетки, поршневые вакуумные и нагнетательные насосы, центробежные насосы);
● Различие атмосферного давления в разных местах атмосферы во многом определяют
возникновение различных метеорологических явлений.
А Н Т И Ц И К Л О Н
Антициклон — это атмосферная масса, вихревое движение воздуха с высоким давлением в центре, по часовой стрелке — в Северном полушарии, против часовой стрелки — в Южном. Отличительной особенностью антициклонов является строго определённое направление ветра. Ветер направлен от центра к периферии антициклона, то есть в направлении снижения давления воздуха. Другой составляющей ветров в антициклоне является воздействие силы Кориолиса, обусловленной вращением Земли. В Северном полушарии это приводит к повороту движущегося потока вправо. В Южном полушарии, соответственно, влево. Именно поэтому ветер в антициклонах Северного полушария движется по направлению движения часовой стрелки, а в Южном — наоборот. Для циклонов характерно обратное направление ветров. В низком антициклоне, холодном, изобары остаются замкнутыми только в самых нижних километрах, а в средней тропосфере повышенное давление вообще не обнаруживается; возможно также наличие над таким антициклоном высотного циклона. Высокий антициклон тёплый и сохраняет замкнутые изобары с антициклонической циркуляцией даже в верхней тропосфере. Иногда антициклон бывает многоцентровым.
Антициклоны достигают размера несколько тысяч километров в поперечнике. В центре антициклона давление обычно 1020—1030 гПа, но может достигать 1070—1080 гПа. Как и циклоны, антициклоны перемещаются в направлении общего переноса воздуха в тропосфере, то есть с запада на восток, отклоняясь при этом к низким широтам. Средняя скорость перемещения антициклона составляет около 30 км/ч в Северном полушарии и около 40 км/ч в Южном, но нередко антициклон надолго принимает малоподвижное состояние.
Признаки антициклона: устойчивая и умеренная погода, которая держится несколько дней. В летний период антициклон приносит жаркую, малооблачную погоду. В зимний период характеризуется морозной погодой и туманами.
Важной особенностью антициклонов является образование их на определённых участках. В частности, над ледовыми полями формируются антициклоны. И чем мощнее ледовый покров, тем сильнее выражен антициклон; именно поэтому антициклон над Антарктидой очень мощный, а над Гренландией маломощный, над Арктикой — средний по выраженности. Мощные антициклоны также развиваются в тропическом поясе.
Интересным примером резких изменений в формировании различных воздушных масс служит Евразия. В летнее время над её центральными районами формируется область низкого давления, куда засасывается воздух с соседних океанов. Особенно сильно это проявляется в Южной и Восточной Азии: бесконечная вереница циклонов несет влажный тёплый воздух вглубь материка. Зимой ситуация резко меняется: над центром Евразии формируется область высокого давления — Азиатский максимум, холодные и сухие ветры из центра которого (Монголия, Тыва, Юг Сибири), расходящиеся по часовой стрелке, разносят холод вплоть до восточных окраин материка и вызывают ясную, морозную, практически бесснежную погоду на Дальнем Востоке, в Северном Китае. В западном направлении антициклоны влияют менее интенсивно. Резкие снижения температуры возможны только, если центр антициклона переместится к западу от точки наблюдения, потому что ветер меняет направление с южного на северный. Подобные процессы часто наблюдаются на Восточно-Европейской равнине.
Ц И К Л О Н
Цикло́н (от др.-греч. κυκλῶν — «вращающийся») — атмосферный вихрь огромного (от сотен до нескольких тысяч километров) диаметра с пониженным давлением воздуха в центре.
Циклон Катрина. 26 марта 2006 года.
Воздух в циклоне циркулирует против часовой стрелки в северном полушарии и по часовой стрелке в южном. Кроме того, в воздушных слоях на высоте от земной поверхности до нескольких сот метров, ветер имеет слагаемое, направленное к центру циклона, по барическому градиенту (в сторону убывания давления). Величина слагаемого уменьшается с высотой.
Движение воздуха (пунктирные
стрелки) и изобары (непрерывны
е линии) в циклоне в северном полушарии.
Циклон — не просто противоположность антициклону, у них различается механизм возникновения. Циклоны постоянно и естественным образом появляются из-за вращения Земли, благодаря силе Кориолиса. Следствием теоремы Брауэра о неподвижной точке является наличие в атмосфере как минимум одного циклона или антициклона.
Схематическое изображение процесса
образования циклонов из-за вращения
Земли
Различают два основных вида циклонов — внетропические и тропические. Первые образуются в умеренных или полярных широтах и имеют диаметр от тысячи километров в начале развития, и до нескольких тысяч в случае так называемого центрального циклона. Среди внетропических циклонов выделяют южные циклоны, образующиеся на южной границе умеренных широт (средиземноморские, балканские, черноморские, южнокаспийские и т. д.) и смещающиеся на север и северо-восток. Южные циклоны обладают колоссальными запасами энергии; именно с южными циклонами в средней полосе России и СНГ связаны наиболее сильные осадки, ветры, грозы, шквалы и другие явления погоды.
Тропические циклоны образуются в тропических широтах и имеют меньшие размеры (сотни, редко — более тысячи километров), но бо́льшие барические градиенты и скорости ветра, доходящие до штормовых. Для таких циклонов характерен также т.н. «глаз бури» — центральная область диаметром 20—30 км с относительно ясной и безветреной погодой. Тропические циклоны могут в процессе своего развития превращаться во внетропические. Ниже 8—10° северной и южной широты циклоны возникают очень редко, а в непосредственной близости от экватора — не возникают вовсе.
Циклоны возникают не только в атмосфере Земли, но и в атмосферах других планет. Например, в атмосфере Юпитера уже многие годы наблюдается так называемое Большое красное пятно, которое является, по всей видимости, долгоживущим антициклоном. Однако циклоны в атмосферах других планет изучены недостаточно.