Fundamentos físicos de los descensos de buceo. Mezclas de gases Menos carga, más ahorro

Tema de la lección: Leyes de los gases. Leyes de la hidrostática y la hidrodinámica.

El gas es uno de los estados agregados de una sustancia en el que sus partículas se mueven libremente, llenando uniformemente el espacio disponible para ellas. Ejercen presión sobre la coraza que limita este espacio. La densidad del gas a presión normal es varios órdenes de magnitud menor que la densidad del líquido.

Leyes de la dinámica de los gases.

• Ley de Boyle-Mariotte (proceso isotérmico)
• Ley de Charles (proceso isocórico) y Gay-Lussac (proceso isobárico)
• ley de dalton
• Ley de Henry

• ley de pascal
• Ley de Arquímedes
• Ley de Euler-Bernoulli

Ley de Boyle-Mariotte (proceso isotérmico)

• Para una masa dada de gas M a una temperatura constante T, su volumen V es inversamente proporcional a la presión P: PV=const, P 1 V 1 = P 2 V 2, P 1 y P 2 son los valores de presión inicial y final, V 1 y V 2 son el valor de presión inicial y final.
• Conclusión: la cantidad de veces que aumenta la presión, la cantidad de veces que disminuye el volumen.
• Con esta ley, puede comprender cuántas veces aumenta el consumo de aire para respirar de un nadador submarino al aumentar la profundidad y también calcular el tiempo que pasa bajo el agua.
• Ejemplo: V del cilindro = 15 l, P del cilindro = 200, Bar V de los pulmones = 5 l, D profundidad = 40 m ¿Cuánto tiempo durará el cilindro a esta profundidad? ¿Qué pasa si una persona respira 6 veces por minuto? 15x200 = 3000 litros de aire en el cilindro, 5x6 = 30 l/min – caudal de aire por minuto en la superficie. A una profundidad de 40 m, P abs = 5 bar, 30x5 = 150 l/min en profundidad. 3000/150= 20min. Respuesta: habrá suficiente aire para 30 minutos.

Ley de Charles (proceso isocórico) y Gay-Lussac (proceso isobárico)

• Para una masa de gas dada M en volumen constanteV la presión es directamente proporcional al cambio en su temperatura absoluta T: P 1 xT 1 = P 2 xT 2
• Para una masa de gas dada M en presión constante P el volumen de gas cambia directamente proporcional al cambio en la temperatura absoluta T: V 1 xT 1 = V 2 xT 2
• La temperatura absoluta se expresa en grados Kelvin. 0°С=273°К, 10°С=283°К, -10°С=263°К
• Ejemplo: supongamos que se llena un cilindro con aire comprimido a una presión de 200 bar, después de lo cual la temperatura aumenta a 70°C. ¿Cuál es la presión del aire dentro del cilindro? P 1 =200, T 1 =273, P 2 =?, T 2 =273+70=343, P 1 xT 1 = P 2 xT 2, P 2 =P 2 xT 2 /T 1 =200×343/273 = 251 barras

ley de dalton

• La presión absoluta de una mezcla de gases es igual a la suma de las presiones parciales (parciales) de los gases individuales que componen la mezcla.
• La presión parcial del gas P g es proporcional al porcentaje n del gas dado y a la presión absoluta P abs de la mezcla de gases y está determinada por la fórmula: P g = P abs n/100. Esta ley se puede ilustrar comparando una mezcla de gases en un volumen cerrado con un conjunto de pesas de diferentes pesos colocadas en una balanza. Evidentemente, cada una de las pesas ejercerá presión sobre la báscula independientemente de la presencia de otras pesas sobre ella.

Ley de Henry

• La cantidad de gas disuelto en un líquido es directamente proporcional a su presión parcial. Si la presión parcial de un gas se duplica, entonces se duplica la cantidad de gas disuelto. Cuando un nadador se sumerge, la P abs aumenta, por lo que la cantidad de gas inhalado por el nadador aumenta y, en consecuencia, se disuelve en mayores cantidades en la sangre. A medida que se asciende, la presión disminuye y el gas disuelto en la sangre sale en forma de burbujas, como cuando se abre una botella de agua con gas. Este mecanismo subyace al DCS.

Leyes de la hidrostática y la hidrodinámica.

Para el agua, como para los gases, debido a su fluidez, se cumple la ley de Pascal, que determina la capacidad de estos medios para transmitir presión. Para un cuerpo sumergido en un líquido, la ley de Arquímedes se cumple debido a la acción sobre la superficie del cuerpo de la presión creada por el líquido debido a su peso (es decir, la acción de la gravedad). Para líquidos y gases en movimiento se aplica la ley de Euler-Bernoulli.

ley de pascal

La presión sobre la superficie de un líquido (o gas), producida por fuerzas externas, es transmitida por el líquido (o gas) por igual en todas las direcciones.

La acción de esta ley subyace al funcionamiento de todo tipo de dispositivos y dispositivos hidráulicos, incluidos los equipos de buceo (cilindros - caja de cambios - respirador).

Ley de Arquímedes

Cualquier cuerpo sumergido en un líquido (o gas) es afectado por este líquido (o gas) mediante una fuerza dirigida hacia arriba, aplicada al centro de gravedad del volumen desplazado e igual en magnitud al peso del líquido (o gas). desplazado por el cuerpo.

q= yV

en – gravedad específica del líquido;

V- el volumen de agua desplazada por el cuerpo (volumen sumergido).

La ley de Arquímedes determina cualidades de los cuerpos sumergidos en líquido como la flotabilidad y la estabilidad.

Ley de Euler-Bernoulli

La presión de un líquido (o gas) que fluye es mayor en aquellas secciones del flujo en las que la velocidad de movimiento es menor, y viceversa, en aquellas secciones en las que la velocidad de movimiento es mayor, la presión es menor. .

El cálculo preciso del aire de buceo es el segundo factor más importante después del impecable estado técnico del equipo. Dado que esta tarea existe desde la invención del equipo de buceo, desde hace mucho tiempo se han desarrollado métodos especiales para calcular el volumen de aire necesario. La base es el volumen de aire requerido por un buzo por minuto y luego el valor resultante se divide por el volumen de gas en el cilindro.

Estos cálculos se complican por el hecho de que el consumo de aire depende de la actividad física. Durante la natación tranquila es mucho menor que durante el uso intensivo de las aletas. Otro factor que también se tiene siempre en cuenta es la profundidad de inmersión. Cuanto mayor sea la profundidad, mayor presión se debe suministrar el aire. Todos los factores tomados en cuenta se pueden representar como una lista:

1. Volumen del cilindro.
2. Presión del cilindro.
3. Consumo de aire por minuto (denotado como RMV)
4. Profundidad de inmersión.

Los dos primeros parámetros pueden ser muy precisos. Su precisión depende únicamente de qué tan bien coincidan con el volumen indicado, así como de qué tan exactamente esté ajustada la válvula de la bomba que se usó para el llenado. El compresor se apaga al final del llenado mediante un sensor de presión. Es responsable de garantizar que el volumen de aire en el cilindro corresponda exactamente al volumen declarado.

La parte más difícil es calcular el RMV. Los datos precisos sólo se pueden obtener experimentalmente. Esto es exactamente lo que hacen cuando entrenan a los buceadores. El alumno memoriza las lecturas del manómetro en varios modos de inmersión, dejándose llevar por la corriente, ascendiendo o parado. A continuación, a partir de los datos obtenidos, se deriva un indicador RMV individual. Los datos se registran en una tabla con tres columnas: tiempo y profundidad de inmersión, y presión de la botella mediante un manómetro. Al volver a calcular la presión en el cilindro por el volumen (solo hay que multiplicar los indicadores), obtendremos el valor exacto del consumo de aire por minuto y haremos correcciones por carga y profundidad.

Si no hay tiempo para tales mediciones, que requieren inmersiones de prueba con un instructor, se toman indicadores generales. Se calculan con un cierto margen, que es necesario para cubrir todas las características individuales. Así, el consumo de aire en superficie de un buceador que pesa 80 kg es de 20 a 25 l/min. (En realidad, algo menos: 16 - 22 litros). Las mujeres consumen aún menos aire. A continuación, se realiza una corrección por profundidad. A medida que aumenta la profundidad de inmersión, el volumen de aire necesario aumenta muy rápidamente. A 50 metros (la profundidad máxima para el buceo amateur), se necesita casi el doble (unos 40 l/min).

La presión máxima de inhalación difiere para diferentes mezclas. Para el oxígeno es sólo 1,3 - 1,4 atm. Por este motivo, para el buceo en aguas profundas se necesitan mezclas especiales. Al compilar, intentan asegurarse de que el contenido de oxígeno que contienen sea ligeramente diferente del natural en el aire normal. El contenido de nitrógeno en la mezcla de las profundidades marinas también se reduce, ya que si se utiliza aire normal, la narcosis por nitrógeno comienza ya a 30 metros. Para las inmersiones más profundas, lo óptimo es una mezcla de helio y oxígeno. Casi nunca se utiliza en el buceo amateur. Llenar cilindros con helio es difícil porque tiene una permeabilidad ultraalta, pero cuando se mezcla con oxígeno esta desventaja casi se elimina.

Cuando se utiliza aire limpio, también importa dónde se llenó el cilindro. Aquí sólo hay un requisito principal. La pureza del aire es necesaria. Por tanto, es mejor con propulsión eléctrica. Entonces el riesgo de monóxido de carbono y exceso de dióxido de carbono es mínimo. Lo óptimo es rellenar las bombonas en un lugar respetuoso con el medio ambiente, por ejemplo a la orilla del mar o en el campo.

Tareas

Solución.

Solución.

Ejemplos

Un cilindro de oxígeno de 20 litros está bajo presión.
10 MPa a 15 ºС. Después de que se consumió parte del oxígeno, la presión cayó a 7,6 MPa y la temperatura descendió a 10 ºС.

Determine la masa de oxígeno consumida.

De la ecuación característica (2.5)

En consecuencia, antes de que se consumiera el oxígeno, su masa consistía

kg,

y después del consumo

kg.

Por tanto, el consumo de oxígeno

ΔМ = М 1 –М 2= 2,673 - 2,067 = 0,606 kilogramos.

Determinar la densidad y el volumen específico de monóxido de carbono. CO a una presión de 0,1 MPa a una temperatura de 27 ºС.

El volumen específico se determina a partir de la ecuación característica (2.6)

m3/kg .

Densidad de monóxido de carbono (1.2)

kg/m3.

Un cilindro con un pistón móvil contiene oxígeno a
t= 80 ºС y vacío (vacío) igual a 427 hPa. A temperatura constante, el oxígeno se comprime hasta alcanzar un exceso de presión.
salir= 1,2 MPa. Presión barométrica EN= 933 hPa.

¿Cuántas veces disminuirá el volumen de oxígeno?

Respuesta:V 1 / V 2 = 22,96.

En una habitación con una superficie de 35 m2 y una altura de 3,1 m, el aire está a t= 23 ºС y presión barométrica EN= 973 hPa.

¿Cuánto aire penetrará desde la calle a la habitación si la presión barométrica aumenta a EN= 1013 hPa. La temperatura del aire permanece constante.

Respuesta:m = 5,1 kilogramos .

Un recipiente con un volumen de 5 m3 contiene aire a presión barométrica. EN= 0,1 MPa y temperatura 300 ºС. A continuación se bombea el aire hasta que se forma un vacío de 80 kPa en el recipiente. La temperatura del aire después del bombeo sigue siendo la misma.

¿Cuánto aire se ha bombeado? ¿Cuál será la presión en el recipiente después de bombearlo si el aire restante se enfría a una temperatura t= 20 ºС?

Respuesta: Se bombearon 2,43 kg de aire. Después de enfriar el aire, la presión será de 10,3 kPa.

El calentador de aire de la caldera de vapor es alimentado por un ventilador con 130.000 m 3 /h de aire a una temperatura de 30 ºС.

Determine el caudal de aire volumétrico a la salida del calentador de aire si se calienta a 400 ºС a presión constante.

Respuesta:V= 288700 m 3 /h.

¿Cuántas veces cambiará la densidad del gas en el recipiente si, a temperatura constante, la lectura del manómetro disminuye de página 1= 1,8 MPa hasta página 2= 0,3 MPa?

Tome una presión barométrica igual a 0,1 MPa.

Respuesta:

Un recipiente con un volumen de 0,5 m3 contiene aire a una presión de 0,2 MPa y una temperatura de 20 ºC.

¿Cuánto aire se debe bombear fuera del recipiente para que el vacío en él sea de 56 kPa, siempre que la temperatura en el recipiente no cambie? La presión atmosférica según el barómetro de mercurio es de 102,4 kPa a una temperatura del mercurio de 18 ºС. El vacío en el recipiente se midió con un vacuómetro de mercurio a una temperatura de mercurio de 20 ºС.

Respuesta: METRO= 1,527 kilos.

A menudo tenemos que resolver problemas en los que no se consideran gases individuales, sino sus mezclas. Cuando se mezclan gases que no reaccionan químicamente y que tienen diferentes presiones y temperaturas, normalmente es necesario determinar el estado final de la mezcla. En este caso se distinguen dos casos (Tabla 1).

tabla 1

Mezcla de gases*

	Temperatura, k	Presión, Pa	Volumen, m 3 (flujo volumétrico, m 3 / h)
Mezcla de gases en V=constante
Mezcla de flujos de gas**
* - todas las ecuaciones relacionadas con la mezcla de gases se derivan en ausencia de intercambio de calor con el medio ambiente; ** - si los caudales másicos ( M 1, M 2, …M norte, kg/h) los caudales de mezcla son iguales.

Aquí k yo– relación de capacidades caloríficas de los gases (ver fórmula (4.2)).

Se entiende por mezcla de gases una mezcla mecánica de varios gases que no interactúan químicamente entre sí. La composición de la mezcla de gases está determinada por la cantidad de cada gas incluido en la mezcla y puede especificarse por masa. yo yo o volumétrico r yo Comparte:

m yo = M yo / M; r yo = V yo / V, (3.1)

Dónde mi yo- peso i-ésimo componente

vi yo– volumen parcial o reducido i-ésimo componente;

METRO, V son la masa y el volumen de toda la mezcla, respectivamente.

Es obvio que

M 1 + M 2 +…+M n = M; metro 1 + metro 2 +…+metro norte = 1, (3.2)

V 1 + V 2 +…+ V n = V ;r 1 + r 2 +…+r norte = 1, (3.3)

Relación entre la presión de la mezcla de gases R y presión parcial de componentes individuales Pi incluido en la mezcla se establece ley de dalton

Compresión de aire en un recipiente sumergido en agua.

Considere la siguiente situación. Una botella de vidrio vacía y abierta se sumerge en agua hasta una profundidad h.

1. Explique por qué cuando se sumerge una botella de abajo hacia abajo, el aire sale en burbujas y la botella se llena de agua (figura 46.1).

2. ¿Por qué la botella se hunde inmediatamente?

3. Explique por qué cuando se sumerge una botella boca abajo no sale aire (figura 46.2).

4. Explique por qué cuando se sumerge una botella boca abajo, el volumen de aire que contiene disminuye al aumentar la profundidad.

Denotamos la densidad del agua ρ en, el volumen interno de la botella V 0, el volumen de aire contenido en ella V aire y la presión atmosférica pa. Supongamos que la temperatura del aire en la botella permanece constante.

5. Explique por qué cuando se sumerge una botella a una profundidad h la siguiente ecuación es válida:

V aire (p a + ρ en gh) = V 0 p a. (1)

6. ¿Cuántas veces disminuirá el volumen de aire en la botella cuando se sumerge a una profundidad de 10 m?

7. ¿Cómo cambia la fuerza de Arquímedes que actúa sobre una botella de aire al aumentar la profundidad?

8. Explique por qué en este caso, al encontrar la fuerza de Arquímedes, el volumen de un cuerpo sumergido en agua debe considerarse igual al volumen total de vidrio y aire en la botella.

A una cierta profundidad de inmersión, la fuerza de Arquímedes será igual a la fuerza de gravedad. Al sumergirse a una profundidad aún mayor, la fuerza de Arquímedes será menor que la fuerza de gravedad, por lo que la botella con aire comenzará a hundirse.

Planteemos la pregunta: ¿se puede despreciar la fuerza de gravedad que actúa sobre el aire en comparación con la fuerza de gravedad que actúa sobre la botella?

9. ¿Cuántas veces es menor la masa de aire contenida en una botella de medio litro que la masa de la botella? Considere que la masa de la botella es de 0,5 kg; La densidad del aire a 20 ºС es de aproximadamente 1,2 kg/m3.

Entonces, vemos que la masa de aire en la botella se puede despreciar con buena precisión en comparación con la masa de la botella.

Denotemos la densidad del vidrio ρ с y el volumen del vidrio V с.

10. Explique por qué, cuando una botella de aire completamente sumergida en agua está en equilibrio, se cumple la siguiente ecuación:

ρ con V con g = ρ en g(V aire + V c). (2)

Las ecuaciones (1) y (2) pueden considerarse como un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas. Por ejemplo, si se conocen los valores de todas las cantidades incluidas en estas ecuaciones, excepto Vair y h, se pueden encontrar usando estas ecuaciones.

11. Una botella abierta que contiene aire a presión atmosférica se sumerge en agua, de abajo hacia arriba. Capacidad de la botella 0,5 l, volumen de vidrio 0,2 l, densidad del vidrio 2,5 veces la densidad del agua, presión atmosférica 100 kPa.
a) ¿Cuál es el volumen de aire en la botella cuando ésta se sumerge en agua y está en equilibrio?
b) ¿A qué profundidad estará la botella?

En la situación considerada, la masa de aire se puede despreciar, porque a una presión cercana a la atmosférica, la densidad del aire es mucho menor que la densidad del agua y los sólidos.

Pero en los casos en los que hablamos de levantar cargas desde grandes profundidades utilizando aire comprimido, la masa de aire comprimido puede ser significativa.

Veamos un ejemplo.

12. Los exploradores de las profundidades del océano descubrieron un cofre del tesoro hundido a 1 km de profundidad. El peso del cofre es de 2,5 toneladas, el volumen es de 1 m 3. Ataron el cofre con un cable a una bolsa impermeable fuerte y vacía y comenzaron a bombear aire dentro de la bolsa hasta que comenzó a flotar junto con el cofre. Para simplificar los cálculos, supondremos que la densidad del agua de mar es igual a la densidad del agua dulce, que el agua es incompresible y que el volumen del caparazón de la bolsa es insignificante. La temperatura del agua a grandes profundidades se puede considerar cercana a los 0 ºС.
a) ¿Es necesario tener en cuenta la presión atmosférica para determinar la presión del aire en la bolsa?
b) Denotemos por ρ la densidad del agua, m c y m en la masa del cofre y la masa de aire en la bolsa, V c y V en el volumen del cofre y el volumen de aire al inicio del ascenso. , M in – la masa molar del aire, T – la temperatura absoluta del agua. Escriba un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas (m in y V in), suponiendo que se puede despreciar la presión atmosférica.
c) ¿Cuál es el volumen de aire que había en la bolsa en el momento en que la bolsa con el cofre comenzó a flotar?
d) ¿Cuál es la masa de aire que hay en la bolsa cuando la bolsa con el cofre comienza a flotar?
e) ¿Es posible no dejar salir el aire de la bolsa hasta que la bolsa y el cofre floten hacia la superficie?

Aire en un tubo con columna de mercurio.

Hay aire en un tubo de vidrio sellado por un extremo. Este aire está separado del aire atmosférico por una columna de mercurio con una longitud de 1 Hg (figura 46.3).

Consideremos cómo la longitud de la parte del tubo llena de aire depende de la posición del tubo y de la temperatura del aire en él. Supondremos que la longitud del tubo es lo suficientemente grande como para que el mercurio no salga del tubo en ninguna posición.

Denotamos la presión atmosférica p a, la densidad del mercurio ρ rt y la longitud de la parte del tubo llena de aire, cuando está ubicada horizontalmente, denotamos l 0.
Supongamos primero que la temperatura del aire en el tubo es constante.

13. Escriba una ecuación que relacione las cantidades l rt, l 0 y la longitud l de la parte del tubo llena de aire cuando se ubica:
a) verticalmente con el extremo abierto hacia arriba;
b) verticalmente con el extremo abierto hacia abajo.

14. En el momento inicial se posiciona el tubo con el extremo abierto hacia abajo. Cuando se le dio la vuelta, la longitud de la parte del tubo llena de aire disminuyó en un 10%. ¿Cuál es la longitud de una columna de mercurio si la presión atmosférica es de 760 mm Hg? Arte.?

Consideremos ahora el caso en el que cambia la temperatura del aire en la cabina.

15. En el momento inicial, el tubo con aire y una columna de mercurio se ubica horizontalmente. Cuando se sumergió en agua hirviendo con el extremo abierto hacia arriba, la longitud de la parte del tubo llena de aire aumentó en un 20%. ¿Cuál es la temperatura inicial del aire en el tubo si la longitud de la columna de mercurio es de 5 cm? La presión atmosférica es de 760 mmHg. Arte.

2. Dos gases en un cilindro con pistón o deflector.

El cilindro está ubicado horizontalmente.

Consideremos primero el caso en el que un cilindro con diferentes gases está ubicado horizontalmente (en la Figura 46.4, los diferentes gases se indican esquemáticamente con diferentes colores). En este caso, puedes ignorar el peso del pistón.

Un pistón puede tener varias propiedades que deben tenerse en cuenta a la hora de resolver problemas.

16. ¿Qué se puede decir sobre la presión y la temperatura de dos gases separados por un pistón si:
a) ¿conduce el calor y puede moverse sin fricción?
b) no conduce calor, pero puede moverse sin fricción?
c) conductor de calor, pero ¿es necesario tener en cuenta la fricción entre el pistón y las paredes del recipiente?

17. En un cilindro con pistón ubicado horizontalmente, el hidrógeno y el oxígeno están ubicados en lados opuestos del pistón.
a) ¿Cuál es la relación entre los volúmenes de gases y la cantidad de sustancia que contienen si el pistón es móvil y conductor de calor?
b) ¿Cuál es la relación entre los volúmenes y masas de los gases en este caso?
c) ¿Cómo se relacionan los volúmenes, masas y temperaturas de los gases si el pistón es móvil pero no conduce calor?

Si se dice que el recipiente no está dividido por un pistón, sino por una partición, se da a entender que los volúmenes de las partes del recipiente permanecen constantes. La partición también puede tener diferentes propiedades.

18. ¿Qué se puede decir sobre la temperatura y la presión parcial de dos gases separados por un tabique si:
a) conductor de calor?
b) poroso (esto generalmente significa que las moléculas de un gas pueden penetrar la partición, pero las moléculas de otro gas no).

19. Un recipiente con aislamiento térmico se divide en dos partes iguales mediante un tabique poroso. En el momento inicial, hay 2 moles de helio en el lado izquierdo del recipiente y 1 mol de argón en el lado derecho. La temperatura inicial del helio es de 300 K y la temperatura inicial del argón es de 600 K. Los átomos de helio pueden penetrar libremente a través de los poros de la partición, pero los átomos de argón no.
a) ¿Importa si la partición conduce calor o no?
b) ¿Qué átomos de gas tienen inicialmente una mayor energía cinética promedio? ¿Cuántas veces mayor?
c) ¿La energía interna de qué gas es mayor en el momento inicial? ¿Cuántas veces más?
d) Explique por qué las energías cinéticas promedio de los átomos de diferentes gases son iguales después de alcanzar el equilibrio térmico.
e) ¿Qué temperatura habrá en el recipiente en equilibrio térmico?
f) ¿Cuántas veces la energía cinética promedio de los átomos de helio en equilibrio térmico será mayor que su energía cinética promedio en el estado inicial?
g) ¿Cómo cambiará la presión del helio en el lado izquierdo del recipiente en comparación con la inicial después de que se establezca el equilibrio?
h) ¿Cómo cambiará la presión del argón en comparación con la inicial una vez que se establezca el equilibrio?
i) ¿En qué parte del recipiente la presión será mayor después de que se establezca el equilibrio? ¿Cuántas veces más?

El cilindro está ubicado verticalmente.

Si el cilindro está ubicado verticalmente (Fig. 46.5), entonces es necesario tener en cuenta el peso del pistón, que presiona el gas ubicado en la parte inferior del cilindro. Debido a esto, la presión en el fondo del cilindro es mayor que en la parte superior. Veamos un ejemplo.

20. Un recipiente cilíndrico de altura l ubicado verticalmente se divide en dos partes mediante un pistón móvil. En la parte superior con altura l hay ν moles de helio, y en la parte inferior con altura l n - la misma cantidad de moles de hidrógeno. La temperatura de los gases permanece todo el tiempo igual a T. La masa del pistón m, el área S y el espesor del pistón pueden despreciarse en comparación con la altura del recipiente.
a) Expresar la presión en cada parte del recipiente en términos de otras cantidades. ¿Importa el tipo de gas en las partes del recipiente?
b) Escribe una ecuación que relacione la presión de los gases en cada parte del recipiente con la masa del pistón y su área.
c) ¿Cuál es la masa del pistón si l = 50 cm, ν = 0,22 mol, T = 361 K, l in = 30 cm?
Clave. Utilice la ecuación de estado del gas ideal.

elevación del globo

Un globo (figura 46.6) puede estar en equilibrio en el aire sólo si la fuerza de Arquímedes que actúa sobre él desde el aire es igual en magnitud a la fuerza total de gravedad que actúa sobre la pelota y la carga suspendida de ella:

F A = ​​​​F t.sh + F t.gr. (3)

En el caso de un globo, el lodo de Arquímedes es igual al peso del aire circundante en el volumen que ocupa el globo y su peso. Hemos resaltado la palabra "circundante" en cursiva porque la densidad del aire atmosférico cambia durante el ascenso por dos razones: en primer lugar, su presión disminuye y, en segundo lugar, su temperatura disminuye.

Denotamos el volumen de la pelota V. El volumen de la carga y el caparazón de la pelota generalmente se desprecia en comparación con el volumen de la pelota misma, ¡pero las masas de la carga y el caparazón de la pelota son de gran importancia! Denotamos la masa de la carga como m g y la masa del proyectil como m vol. Entonces

F t.sh = (m int + m aproximadamente)g,

donde m int es la masa de gas con la que se llena la pelota.

Denotaremos la densidad del aire que rodea la pelota como ρ ext, y la densidad del gas ubicado dentro de la pelota como ρ int.

21. Explique por qué las siguientes ecuaciones son verdaderas:

F A = ​​​​ρ text gV,
m interno = ρ interno V,
V(ρ text – ρ int) = m gr + m vol. (4)

Clave. Utilice la ecuación (3) y la relación entre masa, volumen y densidad.

La fuerza terrestre de un globo es el peso de la carga que el globo puede levantar.

22. Explique por qué el módulo de sustentación de un globo se expresa mediante la fórmula

F bajo = Vg(ρ externo – ρ interno) – m sobre g. (5)

De las fórmulas (4) y (5) se deduce que un globo puede levantar una carga sólo si la densidad del gas con el que está lleno es menor que la densidad del aire circundante.

Si la pelota fuera rígida, esto se podría lograr bombeando parcialmente el aire hacia afuera: la carcasa rígida podría soportar la diferencia de presión del aire dentro y fuera de la pelota. Sin embargo, el caparazón de una pelota dura sería demasiado pesado. La carcasa blanda, que siempre se utiliza para los globos, no puede soportar ninguna diferencia de presión significativa. Por tanto, la presión del gas dentro de la bola es igual a la presión del aire circundante.

23. Explique por qué si la presión dentro de la pelota es igual a la presión del aire circundante, entonces la igualdad es verdadera.

ρ interno /ρ externo = (M interno * T externo) / (M externo * T interno). (6)

Clave. Utilice la ecuación de estado del gas ideal.

De la fórmula (6) queda claro que la densidad del gas con el que está llena la bola puede ser menor que la densidad del aire circundante de dos maneras:
– utilizar aire caliente como gas “interno”;
– utilizar un gas con una masa molar menor.

El primer método se utiliza para globos de recreo (Fig. 46.6) y el segundo, para globos meteorológicos (Fig. 46.7), que se elevan a una gran altura (en este caso, el globo suele estar lleno de helio).

24. Explique por qué de las fórmulas (5) y (6) se deduce que el módulo de la fuerza de elevación del globo se expresa mediante la fórmula

? 25. Un globo con un volumen de 3000 m3 tiene un orificio en la parte inferior a través del cual se calienta mediante un quemador el aire del interior del globo hasta una temperatura de 77 ºC. La pelota está en equilibrio a una altura donde la temperatura ambiente es de 7 ºC y su densidad es de 1,2 kg/m3. La masa de la bola es de 300 kg. ¿Cuál es la masa de la carga?

Preguntas y tareas adicionales

26. Se bombea aire desde arriba hacia un pontón que se encuentra en el fondo de un lago a una profundidad de 90 m (figura 46.8). Cuando el agua atómica sale del pontón a través de un orificio situado en su parte inferior. ¿Qué volumen de aire atmosférico se debe suministrar al pontón para que pueda levantar la carga, si la masa total del pontón con la carga es de 20 toneladas y el volumen total de la carga y las paredes del pontón es de 5 m 3? ? Suponga que la temperatura del agua está cerca de 0 ºС y la presión atmosférica es de 10 5 Pa.

27. En el codo sellado de un tubo en forma de U hay una columna de aire de 30 cm de altura, el mercurio en ambos codos está al mismo nivel. ¿Cuál será la altura de la columna de aire si agregas lentamente mercurio hasta la parte superior? La presión es igual a la presión atmosférica normal.

28. Un globo lleno de helio está en equilibrio en el aire. La masa de un metro cuadrado del globo es de 50 g, la temperatura del aire y del helio es de 27 ºС y la presión es igual a la presión atmosférica normal. ¿Cuál es el radio de la pelota?

Términos que indican el consumo de la mezcla respiratoria consumida:

RMV – volumen respiratorio minuto – volumen respiratorio por minuto;

SAC – consumo de aire en superficie – consumo de aire en superficie.

¿Por qué todo buceador debería conocer su consumo de mezcla respirable (aire, nitrox, trimix - en adelante, para simplificar - gas)? La respuesta a esta pregunta es muy simple. Para planificar adecuadamente tu inmersión y evitar una situación en la que el gas se agote repentinamente durante una inmersión. ¿Qué se necesita para esto? El proceso de medición del consumo de gas es muy sencillo, pero requiere que se cumplan varias condiciones durante la inmersión. Primero hay que entender que el consumo de gas será diferente en diferentes condiciones de navegación (profundidad, corrientes, velocidad de movimiento, etc.). Cuanto mayor es la actividad física del cuerpo, más CO2 se libera y respiramos con más frecuencia. Por tanto, es necesario realizar varias medidas:

• carga ligera (deriva con la corriente, movimiento lento);
• carga media (nadar sin corriente a un ritmo medio);
• carga pesada (nadar contra corriente o ritmo de natación rápido).

En todos estos casos, necesitamos medir nuestro consumo de gases respiratorios. Nos sumergimos a una profundidad planificada previamente y, tratando de cumplirla lo más estrictamente posible, registramos los siguientes indicadores: tiempo, presión en el cilindro, profundidad. Para garantizar la precisión de la medición, es aconsejable utilizar la mitad de la reserva total de gas para cada medición. Aquellos. Las tres mediciones se pueden tomar en 3 inmersiones. Durante todo el tiempo de medición, debemos registrar las lecturas del instrumento en intervalos de 3-10 minutos (dependiendo de las condiciones de inmersión). Como resultado, recibirás un plato como este:

• T – tiempo de inmersión actual, minutos,
• P – presión en el cilindro, bar,
• D – profundidad actual, metros.

A continuación debemos calcular cuánto aire expresado en bares consumimos por minuto. T total = (28-3) = 25 minutos P total = (190-90) = 100 bar 100/25 = 4 bar/min A continuación debemos convertir este valor a litros. Conociendo el volumen de nuestra bombona (por ejemplo, para la medición buceamos con una bombona de acero de 12 litros) y la cantidad de barra consumida, podemos obtener el valor en litros. 4*12 = 48 litros/min Pero realizamos nuestras mediciones bajo el agua, por lo tanto, inhalamos aire a presión ambiente. Necesitamos flujo superficial para nuestra planificación. Calculamos la profundidad media de inmersión. Daverage = (15.3+15.7+15.1+14.9+15.2+15.0)/6 = 15.2 m P = (15.2/10)+1 = 2.52 ata Dividiendo nuestro caudal por profundidad por la presión absoluta a esta profundidad, obtenemos la superficie Flujo de aire en litros. RMV = 48/2,52 = 19,04 litros.

Al realizar tres mediciones en diferentes condiciones, tendremos tres valores diferentes que podremos utilizar con éxito para planificar más nuestras inmersiones. Conociendo las condiciones en las que bucearemos y la profundidad de nuestra inmersión, no nos resultará difícil calcular cuánto nos durará tal o cual reserva de gas. Sabiendo esto, podremos planificar mejor la inmersión y evitar decepciones por objetivos no alcanzados. Por ejemplo, tenemos una bombona de aire con un volumen de 12 litros y una presión de 180 bar. El volumen total de aire en litros es 180 * 12 = 2160 litros. Pero para planificar, debemos descartar inmediatamente la reserva de gas "de emergencia" de 28-35 bar, que podemos necesitar en situaciones de emergencia. Entonces (180-35)*12 = 1740 litros de aire por inmersión. La profundidad de inmersión esperada es de 25 metros. La inmersión se realizará en un lugar sin corrientes. Los puntos de entrada y salida al agua se encuentran en el mismo lugar. Es lógico que para completar tal inmersión gastemos la mitad de nuestro suministro de gas gratuito hasta el punto de inflexión y la otra mitad en el camino de regreso. La presión del aire consumido será 25/10+1 = 3,5 ata entonces: 1740/2 = 870 litros. 870/(19.04*3.5) = 12.81 min = 12 min (todo redondeando hacia abajo para aumentar la seguridad) Por lo tanto, tenemos 12 minutos para viajar al objetivo de inmersión e inspeccionarlo y 12 minutos para regresar. A la hora de calcular inmersiones multinivel, también es posible calcular con bastante precisión nuestro consumo dividiendo la inmersión en segmentos separados por profundidad y tiempo.