Читайте также:
|
Барометрическая формула — зависимость давления или плотности газа от высоты в поле силы тяжести.
Для идеального газа, имеющего постоянную температуру 
и находящегося в однородном поле тяжести (во всех точках его объёма ускорение свободного падения 
одинаково), барометрическая формула имеет следующий вид:
где 
— давление газа в слое, расположенном на высоте 
, 
— давление на нулевом уровне (
), 
— молярная масса газа, 
— универсальная газовая постоянная, — абсолютная температура. Из барометрической формулы следует, что концентрация молекул 
(или плотность газа) убывает с высотой по тому же закону:
где 
— масса молекулы газа, 
— постоянная Больцмана.
Барометрическая формула может быть получена из закона распределения молекул идеального газа по скоростям и координатам в потенциальном силовом поле (см. Статистика Максвелла — Больцмана). При этом должны выполняться два условия: постоянство температуры газа и однородность силового поля. Аналогичные условия могут выполняться и для мельчайших твёрдых частичек, взвешенных в жидкости или газе. Основываясь на этом, французский физик Ж. Перрен в 1908 году применил барометрическую формулу к распределению по высоте частичек эмульсии, что позволило ему непосредственно определить значение постоянной Больцмана.
Барометрическая формула показывает, что плотность газа уменьшается с высотой по экспоненциальному закону. Величина 
, определяющая быстроту спада плотности, представляет собой отношение потенциальной энергии частиц к их средней кинетической энергии, пропорциональной 
. Чем выше температура , тем медленнее убывает плотность с высотой. С другой стороны, возрастание силы тяжести 
(при неизменной температуре) приводит к значительно большему уплотнению нижних слоев и увеличению перепада (градиента) плотности. Действующая на частицы сила тяжести может изменяться за счёт двух величин: ускорения и массы частиц .
Следовательно, в смеси газов, находящейся в поле тяжести, молекулы различной массы по-разному распределяются по высоте.
Реальное распределение давления и плотности воздуха в земной атмосфере не следует барометрической формуле, так как в пределах атмосферы температура и ускорение свободного падения меняются с высотой и географической широтой. Кроме того, атмосферное давление увеличивается с концентрацией в атмосфере паров воды.
Барометрическая формула лежит в основе барометрического нивелирования — метода определения разности высот 
между двумя точками по измеряемому в этих точках давлению (
и 
). Поскольку атмосферное давление зависит от погоды, интервал времени между измерениями должен быть возможно меньшим, а пункты измерения располагаться не слишком далеко друг от друга. Барометрическая формула записывается в этом случае в виде: 
(в м), где 
— средняя температура слоя воздуха между точками измерения, 
— температурный коэффициент объёмного расширения воздуха. Погрешность при расчётах по этой формуле не превышает 0,1—0,5 % от измеряемой высоты. Более точна формула Лапласа, учитывающая влияние влажности воздуха и изменение ускорения свободного падения.
Билет 19
Дата добавления: 2015-02-16; просмотров: 179 | Поможем написать вашу работу | Нарушение авторских прав |