Выполнил ученик 10 класса Базанов

Воздушное огниво Согласно первому закону термодинамики при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа равно работе внешних сил: dU=A

Так как работа внешних сил при сжатии газа положительна, внутренняя энергии газа увеличивается, его температура повышается. При адиабатном расширениии газ совершает работу А за счет уменьшения внутренней энергии dU=-A По этому температура газа при адиабатном расширении понижается. Это можно наблюдать в опыте с вылетом пробки из бутылки, содержащей насыщенный пар. При накачивании в бутылку с помощью насоса воздуха пробка вылетает и в бутылке образуется туман. Работа А по выталкиванию пробки совершается газом за счет уменьшения его внутренней энергии, т.к. расширениие газа происходит за очень короткое время и теплообмен с окружающей средой не успевает произойти. Образование капель тумана из водяного пара доказывает, что при адиабатном расширениии воздуха его температура понизилась и в данном опыте стала ниже точки росы.

Поскольку при адиабатном сжатии температура газа повышается, давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе. Понижение температуры газа при адиабатном расширениии приводит к тому, что давление газа убывает быстрее, чем при изотермическом процессе. Только при адиабатном и изотермическом процессах исключен контакт газа с телами иной температуры. Следовательно именно в этих процессах исключен переход внутренней энергии газа во внутреннюю энергию других тел, при котором не совершается работа.

Примером адиабатного процесса в природе является процесс, происходящий в земной атмосфере в летнее время. В летний день земная поверхность имеет более высокую температуру, чем атмосферный воздух. Слой воздуха, находящийся в близи земли, нагревается больше чем слой воздуха над ним. Около земли воздух нагревается неравномерно, вследствие неровной поверхности земли. Воздух который ближе находится к поверхности Земли имеет повышенную температуру по сравнению с другими участками, и в результате нагревания при постоянном давлении расширяется. Понижение плотности воздуха при расширениии приводит к тому, что он «всплывает» вверх, а его место занимает более плотный и холодный воздух.

Однако на этом процесс не останавливается. Подъём теплого воздуха в более высокие слои атмосферы сопровождается его расширениием, т.к. по мерее удаления от поверхности Земли атмосферное давление уменьшается. Расширение воздуха происходит адиабатно и поэтому сопровождается его охлаждением. Для сухого воздуха подъем на 100 м по вертикале сопровождается охлаждением на 1 градус Цельсия. Подъём воздуха будет продолжаться до тех пор пока его температура не сравняется с температурой воздуха на достигнутой высоте. Водяной пар, содержащийся в воздухе, при подъеме и охлаждении на некоторой высоте из ненасыщенного становится перенасыщенным, при этом происходит конденсация пара и возникает облако, состоящее из мельчайших капель воды. Конденсация водяного пара в облаке сопровождается выделением тепла, поэтому воздух в облаке охлаждается менее интенсивно, чем вне его. Процесс дальнейшего его расширениия и подъема продолжается. Облака могут иметь протяженность по вертикале свыше 10 км. Их вершины состоят не из водяных капель, а из кристаллов льда.

Объяснить это не сложно. Размеры водяных капель лежат в пределах от 2 до 70 мкм. Капли таких малых размеров падают в воздухе с очень малой скоростью. Например скорость падения капли радиусом в 10 мкм составляет всего 1 см/с. Эффект уменьшения скорости падения капли с убыванием её радиуса объясняется тем, что сила тяжести, действующая на каплю, пропорциональная ее объему, т.е. кубу радиуса: Fт~V~r*r*r, а сила сопротивления воздуха пропорциональна скорости движения капли и площади её поперечного сечения, т.е квадрату её радиуса: F~uS~u*r*r (u- скорость) С уменьшением радиуса капли сила тяжести убывает быстрее чем сила сопротивления воздуха, и эти силы уравновешиваются при всё меньших скоростях движения.

Если процесс конденсации пара в облаке идет более интенсивно, чем процесс испарения капель воды на поверхности облака, развитие облака может завершиться выпадением из него дождя, снега или града. По мере подъема вверх восходящим воздушным потоком водяные капли в результате конденсации пара увеличиваются в размерах. Этот процесс будет продолжаться до тех пор пока размер капли не станет таким, что скорость её падения превысит скорость подъема восходящего потока воздуха в облаке. Капли падающие вниз встречают на своём пути более мелкие капли, поднимающиеся вверх, сливаются с ними и укрупняются. Этот процесс продолжается до тех пор пока капли не выпадут из облака в виде дождя.