Разработка лекционной демонстрации "Изучение механизма формирования ударной волны" для курса "Молекулярная физика"
Из уравнения (2.4) получим
(2.13)
Исключая из первых двух уравнений (2.4)-(2.5) сначала одну, а потом другую скорость, найдем
(2.14)
(2.15)
Если ударная волна создается в покоящемс
я газе движением поршня,
для скорости движения сжатого газа относительно невозмущенного, равной скорости «поршня», получим формулу
(2.16)
Отметим полезную формулу для разности кинетических энергий газа по обе стороны разрыва в системе координат, в которой разрыв покоится:
(2.17)
Подставляя выражения для квадратов скоростей (2.14), (2.15) в уравнение энергии (2.4), получим соотношение, связывающее давления с удельными объемами по обе стороны разрыва:
(2.18)
Заменяя удельные внутренние энергии на удельные энтальпии по формуле , перепишем эту формулу в другом виде:
(2.19)
По аналогии с соотношением, связывающим начальные и конечные давления и объемы при адиабатическом сжатии вещества, выражения (2.18) или (2.19) носят название ударной адиабаты или адиабаты Гюгонио.
Ударная адиабата представляется функцией
(2.20)
которая в ряде конкретных случаев, когда термодинамические связи выражаются простыми формулами, может быть найдена в явной форме.
Ударная адиабата имеет существенное отличие от обычной адиабаты (адиабаты Пуассона в идеальном газе с постоянной теплоемкостью). В то время как последняя представляет собой однопараметрическое семейство кривых p = P(V,S), где параметром служит только значение энтропии S, адиабата Гюгонио зависит от двух параметров: давления и объема в начальном состоянии ро, Vo. Чтобы исчерпать все кривые р = Р(V,S), достаточно пройти одномерный ряд значений энтропии S. Чтобы исчерпать все кривые , надо построить «бесконечность в квадрате» кривых, отвечающих всем возможным р0 и V0.
Ударные волны в идеальном газе с постоянной теплоемкостью
Особенно простой вид приобретают формулы для ударной волны в случае идеального газа с постоянной теплоемкостью. На этом примере удобно выяснить все основные закономерности изменения величин в ударной волне. Подставим в уравнения ударной адиабаты (2.18) или (2.19) соотношения
(2.21)
Это дает возможность найти в явном виде уравнение ударной адиабаты:
(2.22)
Для отношения объемов получим формулу:
(2.23)
Отношение температур равно
(2.24)
С помощью (2.23) скорости по формулам (2.14) и (2.15) можно представить через давления и начальный объем:
(2.25)
(2.26)
Выясним на примере идеального газа с постоянной теплоемкостью некоторые закономерности для ударных волн. Ударная адиабата представляет собой кривую на плоскости р, V, которая проходит через точку начального состояния р0, V0.
Эта кривая изображена на рис. 2.3. В принципе формулу (2.22) можно распространить и на давления, меньшие начального Эта часть кривой соответствует физически неосуществимым состояниям. Поэтому она проведена на рис. 2.3 пунктиром.
Рисунок 2.3 — Ударная адиабата
Из формулы (2.23) видно, что в случае ударной волны очень высокой амплитуды, когда давление за фронтом гораздо больше начального, плотность газа при возрастании амплитуды увеличивается не беспредельно, а стремится к определенному значению. Это предельное сжатие в ударной волне зависит только от показателя адиабаты и равно
(2.27)
Для одноатомного газа с предельное сжатие равно 4. Для двухатомного газа в предположении, что колебания не возбуждены, y = 7/5, и предельное сжатие равно 6; если считать, что колебания возбуждены, и сжатие равно 8. В действительности, при высоких давлениях и температурах теплоемкость и показатель адиабаты в газах уже не являются постоянными, так как в газе происходят диссоциация молекул и ионизация атомов. Сжатие газа в ударной волне при данном большом отношении давлений тем сильнее, чем выше теплоемкость и меньше показатель адиабаты.
Поскольку при больших давлениях р1 плотность возрастает очень медленно с ростом давления, температура сжатого газа растет пропорционально давлению (см. формулу (2.24) при ). В пределе сильной волны, когда
(2.28)
Скорости в пределе при растут пропорционально корню из давления. Как видно из формул (2.18) и (2.19), при
(2.29)
Очень важные следствия можно получить, сопоставляя скорости газа по обе стороны разрыва с соответствующими скоростями звука. В идеальном газе с постоянной теплоемкостью
. (2.30)
Составим отношения скоростей газа относительно разрыва к скоростям звука:
, (2.31)
, (2.32)
В предельном случае ударной волны малой амплитуды, когда давления по обе стороны разрыва близки друг к другу, , , согласно формуле (2.23), также мало и сжатие газа: ; близки друг к другу и скорости звука . Из формул (2.31) и (2.32) видно, что в этом случае . Но u0 есть скорость распространения разрыва по невозмущенному газу. Таким образом, слабая ударная волна бежит по газу со скоростью, очень близкой к скорости звука, т.е. практически не отличается от акустической волны сжатия. Это не удивительно, ибо при малом отличии p1 от р0 мы имеем дело с малым возмущением.
Другие рефераты на тему «Педагогика»:
- Методика формирования экологических знаний у младших школьников
- Организация дополнительного образования детей на базе общеобразовательных учреждений: опыт, проблемы, перспективы
- Методика развития творческого воображения детей старшего дошкольного возраста средствами сказки
- Содержание работы по социальной адаптации детей дошкольного возраста с нарушениями функций опорно-двигательного аппарата
- Взаимосвязь развития мышления с памятью и речью у детей младшего школьного возраста
Поиск рефератов
Последние рефераты раздела
- Тенденции развития системы высшего образования в Украине и за рубежом: основные направления
- Влияние здоровьесберегающего подхода в организации воспитательной работы на формирование валеологической грамотности младших школьников
- Характеристика компетенций бакалавров – психологов образования
- Коррекционная программа по снижению тревожности у детей младшего школьного возраста методом глинотерапии
- Формирование лексики у дошкольников с общим недоразвитием речи
- Роль наглядности в преподавании изобразительного искусства
- Активные методы теоретического обучения