Билет № 10. 2. Электрическое и магнитное поле Земли. Гравитационное поле

1. Уравнение Менделеева-Клапейрона для идеального газа.

Уравнение состояния идеального газа (иногда уравнение Клапейрона или уравнение Клапейрона — Менделеева) — формула, устанавливающая зависимость между давлением, молярным объёмом и абсолютной температурой идеального газа. Уравнение имеет вид:

где

p — давление,

— молярный объём,

T — абсолютная температура,

R — универсальная газовая постоянная.

Так как , где — количество вещества, а , где m — масса, — молярная масса, уравнение состояния можно записать:

Эта форма записи носит имя уравнения (закона) Менделеева — Клапейрона.

В случае постоянной массы газа уравнение можно записать в виде:

Последнее уравнение называют объединённым газовым законом. Из него получаются законы Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака:

— закон Бойля — Мариотта.

— закон Гей-Люссака.

— закон Шарля (второй закон Гей-Люссака, 1808 г.)

С точки зрения химика этот закон может звучать несколько иначе: Объёмы вступающих в реакцию газов при одинаковых условиях (температуре, давлении) относятся друг к другу и к объёмам образующихся газообразных соединений как простые целые числа. Например, 1 объём водорода соединяется с 1 объёмом хлора, при этом образуются 2 объёма хлороводорода:

1 объём азота соединяется с 3 объёмами водорода с образованием 2 объёмов аммиака:

— закон Бойля — Мариотта.

Закон Бойля — Мариотта назван в честь ирландского физика, химика и философа Роберта Бойля (1627—1691), открывшего его в 1662 г., а также в честь французского физика Эдма Мариотта (1620—1684), который открыл этот закон независимо от Бойля в 1676 году.

В некоторых случаях (в газовой динамике) уравнение состояния идеального газа удобно записывать в форме

где — показатель адиабаты, — внутренняя энергия единицы массы вещества.

Эмиль Амага обнаружил, что при высоких давлениях поведение газов отклоняется от закона Бойля — Мариотта. И это обстоятельство может быть прояснено, как считал ещё М. В. Ломоносов, на основании молекулярных представлений.

С одной стороны, в сильно сжатых газах размеры самих молекул являются сравнимыми с расстояниями между молекулами. Таким образом, свободное пространство, в котором движутся молекулы, меньше, чем полный объем газа. Это обстоятельство увеличивает число ударов молекул в стенку, так как благодаря ему сокращается расстояние, которое должна пролететь молекула, чтобы достигнуть стенки.

С другой стороны, в сильно сжатом и, следовательно, более плотном газе молекулы заметно притягиваются к другим молекулам гораздо большую часть времени, чем молекулы в разреженном газе. Это, наоборот, уменьшает число ударов молекул в стенку, так как при наличии притяжения к другим молекулам молекулы газа движутся по направлению к стенке с меньшей скоростью, чем при отсутствии притяжения. При не слишком больших давлениях. более существенным является второе обстоятельство и произведение немного уменьшается. При очень высоких давлениях большую роль играет первое обстоятельство и произведение увеличивается.

2. Электрическое и магнитное поле Земли. Гравитационное поле.

Гравитационное поле Земли с высокой точностью описывается законом всемирного тяготения Ньютона. Ускорение свободного падения над поверхностью Земли определяется как гравитационной, так и центробежной силой, обусловленной вращением Земли.

Магнитное поле над поверхностью Земли складывается из постоянной (или меняющейся достаточно медленно) «главной» и переменной частей; последнюю обычно относят к вариациям магнитного поля. Главное магнитное поле имеет структуру, близкую к дипольной.

Магнитное поле Земли простирается до расстояний трех земных радиусов. Оно приблизительно соответствует полю однородно намагниченного шара с напряженностью поля 55,7 А/м (0,70 Э) у полюсов магнитных Земли и 33,4 А/м (0,42 Э) на магнитном экваторе. Околопланетное пространство Земли физические свойства которого определяются ее магнитным полем и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения, то есть с солнечным ветром называется Магнитосфера. С дневной стороны она простирается на 8-14 радиусов, с ночной – вытянута на несколько сот радиусов, образуя т. н. магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса. [Протяженными магнитосферами обладают Юпитер и Сатурн. Магнитосферы Меркурия, Венеры, Марса ярко не выражены.]

Магнитные полюсы – это точки на земной поверхности, где магнитная стрелка располагается по вертикали, т. е. где магнитный компас неприменим для ориентировки по странам света. Их положение постоянно меняется в пространстве. В настоящее время они не совпадают с географическими южный магнитный полюс находится в Антарктиде, у побережья Тихого океана, а северный – в Канаде в Канадском арктическом архипелаге. За геологические промежутки времени, по палеомагнитным данным, обнаруживаются даже магнитные инверсии, то есть обращения полярности. В магнитных полюсах сходятся магнитные меридианы – проекции силовой линии геомагнитного поля на поверхность Земли.

У магнитного поля Земли наблюдаются вековые, суточные и нерегулярные изменения (вариации), в т. ч. магнитные бури. Это сильные возмущения магнитного поля, которые могут длиться несколько суток и вызываются воздействием усиленных потоков солнечной плазмы (солнечного ветра) на магнитосферу Земли.

Электрическое поле над поверхностью Земли в среднем имеет напряженность около 100 В/м и направлено вертикально вниз – это так называемое «поле ясной погоды», но это поле испытывает значительные (как периодические, так и нерегулярные) вариации.

Строение Земли имеет ряд географических следствий

внутренние процессы, происходящие в недрах Земли являются одним из важных источников энергии поступающей в географическую оболочку;

плотность Земли определяет силу земного притяжения, которая обеспечивает сохранность водной и воздушной оболочек;

взаимодействия оболочек Земли обусловили возникновение комплексной географической оболочки с таким ее важным компонентом, как живое вещество;

сферическая форма оболочек обуславливают бесконечность и единство пространства.