§ 231. Изменение объема газа при изменении температуры
Мы изучали, как зависит давление некоторой массы газа от температуры, если объем остается неизменным, и от объема, занимаемого газом, если температура остается неизменной. Теперь установим, как ведет себя газ, если меняются его температура и объем, а давление остается постоянным. Рассмотрим такой опыт. Коснемся ладонью сосуда, изображенного на рис. 384, в котором горизонтальный столбик ртути запирает некоторую массу воздуха. Газ в сосуде нагреется, его давление повысится, и ртутный столбик начнет перемещаться вправо. Движение столбика прекратится, когда благодаря увеличению объема воздуха в сосуде давление его сделается равным наружному. Таким образом, объем воздуха при нагревании увеличился, а давление осталось неизменным.
Рис. 384. Рука нагревает воздух в сосуде 
, объем воздуха увеличивается, и ртутная капля 
смещается вправо. Давление остается неизменным и равным давлению атмосферы
Если бы мы знали, как изменилась в нашем опыте температура воздуха в сосуде, и измерили, как меняется объект газа, мы могли бы изучить это явление с количественной стороны. Очевидно, что для этого надо заключить сосуд в оболочку, заботясь о том, чтобы все части прибора имели одну и ту же температуру, точно измерить объем запертой массы газа, затем изменить эту температуру и измерить приращение объема газа.
☰
Причина давления газов связана с хаотичным быстрым движением молекул. Из-за этого молекулы газа сталкиваются с поверхностями. Так как молекул много, то их множественные удары создают давление.
Газы занимают весь предоставленный им объем, так как их молекулы не связаны между собой. Понятно, что чем объем больше, тем количество молекул в единице объема будет меньше. Следовательно, меньше молекул будет ударять по поверхности, и, значит, давление газа будет меньше.
Таким образом давление и объем газа находятся в обратнопропорциональной зависимости: чем больше объем, тем меньше давление, и чем меньше объем, тем больше давление. При этом надо иметь в виду, что масса газа и температура считаются неизменными.
В отличие от жидкостей и твердых тел, газы легко сжимаемы. Это связано с тем, что молекулы газа находятся далеко друг от друга и их легко можно «подвинуть» друг к другу. Это значит, что объем, а, следовательно, и давление газа легко менять.
Как известно, при более высокой температуре молекулы веществ начинают быстрее двигаться (в случае газов) или колебаться (в случае твердых веществ). Если в газе молекулы двигаются быстрее, то они чаще и сильнее ударяют по поверхностям. Это значит, что давление газа увеличивается.
Таким образом давление и температура газа находятся в прямопропорциональной зависимости: чем больше температура, тем больше давление, и чем меньше температура, тем меньше давление. Это правило всегда выполняется при условии, что объем и масса газа остаются неизменными.
Существует множество опытов, подтверждающих эти зависимости.
Если несильно надутый шарик положить в теплую воду, то он увеличится. Это связано с тем, что газ внутри шарика нагреется, и молекулы начнут сильнее бить по стенкам шарика, то есть оказывать на стенки большее давление. От этого шарик слегка раздувается.
Если опять-таки несильно надутый воздушный шарик положить в герметичную емкость, из которой потом откачать воздух, то шарик раздуется. Здесь эффект связан с тем, что когда воздух в емкости присутствует, то давление на стенки шарика извне и изнутри одинаковы. Когда же воздух откачан, то внешнее давление сильно уменьшается, а внутреннее остается прежним.
Если в трубке с одной стороны будет поршень, а с другой резиновая пленка, то при движении поршня вниз пленка будет растягиваться вниз, так как объем газа будет уменьшаться, и, следовательно давление увеличиваться. Это давление, которое больше внешнего давления воздуха, и будет растягивать пленку. Если же двигать поршень вверх, то пленка будет «засасываться» внутрь трубки. Это связано с тем, что объем газа увеличивается, следовательно, давление уменьшается. Внешнее давление воздуха давит на пленку сильнее внутреннего и «заталкивает» ее внутрь трубки.
Кроме того, у газа давление изменяется с высотой столба газа. Причина та же, что и у жидкости, — вес в следствие притяжения к Земле. Однако, в следствие разреженности молекул газа, его вес незначителен по сравнению с твердыми телами и жидкостями таких же объемов. Поэтому данным изменением давления часто пренебрегают.
- Авторы
- Резюме
- Файлы
А .Ф. Колбасов В .П. Ткаченко Проведено исследование изменения давления в шине легкового автомобиля ВАЗ при изменении температурного режима окружающей среды. Анализ результатов свидетельствует о больших колебаниях давления в шинах автомобиля при изменении температурного режима в процессе эксплуатации расчетным путем определены изменения давлений в шине легкового автомобиля при различных изменениях температуры после закачки газов до давления, рекомендованного заводом-изготовителем транспортного средства. 
541 KB Автомобильный транспорт, без сомнения, является становым хребтом экономики государств. Базовой частью любого автомобиля являются шины. Давления газов в шинах регламентируется рекомендациями заводовизготовителей транспортных средств. Чаще всего давление в шинах создается закачкой атмосферного воздуха.
Состав сухого воздуха приведен в табл. 1.
В воздухе присутствует и водяной пар. Его содержание составляет по объему
Таблица 1. Состав сухого воздуха на высоте уровня моря
По данным срочных наблюдений за изменением температуры воздуха в различных климатических зонах земного шара можно сделать вывод, что она существенно зависит от поступления в атмосферу и на земную поверхность солнечной радиации. Из-за вращения Земли вокруг своей оси наблюдается суточный ход потоков солнечной энергии, а в зависимости от ее положения на орбитесезонный. Кроме того, сферичность планеты обуславливает зависимость поступления солнечной радиации от географической широты. Неоднородность полей температуры определяется особенностями теплообмена земной поверхности с атмосферой, фазовыми преобразованиями воды, свойствами подстилающей поверхности. Диапазон изменения температур может быть охарактеризован такими данными. Минимальная температура воздуха в феврале 1892г. в Верхоянске составляла -67,8ºС, на станции «Восток» в Антарктиде88,3ºС, а максимальная в Тиндуфе (пустыня Сахара) — 57,1ºС. На континентах колебание суточных значений температуры воздуха достигает 20-25ºС, а в пустынных, засушливых районах -30-35ºС. Анализ многочисленных материалов наблюдений показывает, что на формирование суточного хода температуры значительное влияние оказывают особенности рельефа и высота местности над уровнем моря. В своих исследованиях выдающийся русский исследователь А.И.Воейков доказал, что в вогнутых формах рельефа суточная амплитуда колебания температуры воздуха больше, а на выпуклых меньше, чем на равнине. В вогнутых формах рельефа, котловинах, долинах и т.п. в дневное время увеличивается прогревание воздуха, а в ночноевыхолаживание. В низкие формы рельефа стекает воздух с выпуклых формвершин, склонов, охлажденный на них ночью. горно-долинная и бризовая циркуляция также определяют особенности суточного хода температуры. Данные срочных наблюдений за температурой воздуха в мегаполисах показывают большие перепады между центром и окраинами в одно и то же время. Так, в г. Москве она достигает 10-12ºС ( особенно в зимнее время).
Рассмотрим вопросы изменения давления в шине 175/70R13 легкового автомобиля ВАЗ при изменении температурного режима окружающей среды. Принимаем, что объем закачиваемого в шину газа составляет 40л, а рекомендуемое заводом-изготовителем давление составляет 2.0 кгс/см2. При закачке в шины воздуха принимаем, что содержание водяных паров в нем составляет 2%. Тогда содержание закачиваемых основных компонентов воздуха в шину при давлении 101,3 кПа по объему в соответствии с законом Дальтона о парциальном давлении всех входящих в него газов составит: азот — 30,61л; кислород — 8,21л; пары воды — 0,8л; аргон — 0,37л; углекислый газ — 0,01л. Осуществление работ по закачке газов в шину может выполняться при различном температурном режиме окружающей среды. Определим массу основных закачиваемых в шину газов при температуре воздуха 5ºС, 10ºС и 20ºС и доведении давления до 2,0 кгс/см2. Расчет выполняем по уравнению:
a =0.01605 p M V/273+t ( 1)
где:
- а -весовое количество газа (в г) в данном объеме V (в л );
- р — давление газа в мм рт. ст.; М — молекулярный вес газа;
- t — температура в ºС.
Результаты расчетов сведены в таблицу 2
Таблица 2. Весовое количество основных компонентов воздуха и азота (в г. ), закачиваемых в шину легкового автомобиля при различной температуре окружающей среды и доведения давления до 2 атм ( 202,6 кПа)
Приведенные расчетные данные свидетельствуют о значительной разнице в массе закачиваемого воздуха и азота в шину легкового автомобиля при закачке в различном температурном режиме, которая по воздуху при изменении температуры между 5 ºС и 30ºС составляет 8,33г, а по азоту — 8,11 г (порядка 8%). разница между массами закачиваемого воздуха и азота при одной и той же температуре составляет в вышеуказанном температурном диапазоне от 2,33 г до 2,55 г. Эти данные необходимо учитывать при доведении давления в шинах до рекомендованных значений заводов-изготовителей. Напрашивается вывод, что закачку и подкачку шин наиболее целесообразно вести при температуре наиболее близкой к температурным условиям эксплуатации шин транспортного средства.
При эксплуатации автомобиля, а также в условиях постоянно изменяющихся суточных (сезонных) температур окружающей среды происходят изменения температурного режима шин с закачанным в них газом (газами). Определим изменения давлений в шине легкового автомобиля при различных изменениях температуры после закачки газов до давления, рекомендованного заводомизготовителем транспортного средства. расчеты выполнены по уравнению:
P = a (273 + t)/0.0321 M V (2)
условные обозначения приведены выше. результаты расчетов сведены в таблицу 3.
Данные таблицы 3 свидетельствуют о больших колебаниях давления в шинах автомобиля при изменении температурного режима в процессе эксплуатации. Эти данные будут характеризоваться еще большими значениями при анализе в районах с низкими температурами. россия является северной страной. Кроме того, при закачке воздуха в шины образуется конденсат, который отрицательно влияет на их эксплуатацию. учитывая, что с давлением в шинах связана безопасность движения, а также экономика эксплуатации транспортного средства вопросам регулирования стабилизации давления в шинах необходимо уделять первостепенное значение. По данным Национального управления безопасности дорожного движения США из-за аварий, связанных с автомобильными шина
Таблица 3. Изменение давления воздуха и азота (атм.) в шине легкового автомобиля при изменении температурного режима после закачки
ми, в стране ежегодно гибнет до 660 человек и 33000 человек получают ранения.
Список литературы
Библиографическая ссылка
А .Ф. Колбасов, В .П. Ткаченко ИЗМЕНЕНИЕ ДАВЛЕНИЯ В ШИНАХ ЛЕГКОВЫХ АВТОМОБИЛЕЙ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ ТЕМПЕРАТУРЫ // Современные наукоемкие технологии. – 2010. – № 6. – С. 48-51;
URL: http://www.top-technologies.ru/ru/article/view?id=24960 (дата обращения: 28.10.2020).
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания» (Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления) «Современные проблемы науки и образования» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.791 «Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074 «Современные наукоемкие технологии» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.909 «Успехи современного естествознания» список ВАК ИФ РИНЦ = 0.736 «Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований» ИФ РИНЦ = 0.570 «Международный журнал экспериментального образования» ИФ РИНЦ = 0.431 «Научное Обозрение. Биологические Науки» ИФ РИНЦ = 0.303 «Научное Обозрение. Медицинские Науки» ИФ РИНЦ = 0.380 «Научное Обозрение. Экономические Науки» ИФ РИНЦ = 0.600 «Научное Обозрение. Педагогические Науки» ИФ РИНЦ = 0.308 «European journal of natural history» ИФ РИНЦ = 1.369 Издание научной и учебно-методической литературы ISBN РИНЦ DOI
Начнем с выяснения зависимости давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Эти исследования были впервые произведены в 1787 г. Жаком Александром Сезаром Шарлем (1746—1823). Можно воспроизвести эти опыты в упрощенном виде, нагревая газ в большой колбе, соединенной с ртутным манометром \(M\) в виде узкой изогнутой трубки (рис. 376).
Рис. 376. При опускании колбы в горячую воду присоединенный к колбе ртутный манометр \(M\) показывает увеличение давления. \(T\) — термометр
Пренебрежем ничтожным увеличением объема колбы при нагревании и незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, можно считать объем газа неизменным. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, будем отмечать температуру газа по термометру \(T\), а соответствующее давление — по манометру \(M\). Наполнив сосуд тающим льдом, измерим давление \({p}_0\), соответствующее температуре \(0^{\circ}C\). Опыты подобного рода показали следующее.
Следует, однако, иметь в виду, что температурный коэффициент давления газа, полученный при измерении температуры по ртутному термометру, не в точности одинаков для разных температур: закон Шарля выполняется только приближенно, хотя и с очень большой степенью точности.