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氣體在液體中的溶解 一種“T體與一種液體相接觸,氣體分子便街助自身的運動而進入到液體內。這就是氣體在液體中的溶 解。 某些乞體比其它氣體容易浴解在同一種液中,同一種么體在不同的液體中溶解的數量不相同, 在一定的過度下,0.IMPa一種氣體,溶解于1老開共液體中的花升數,稱為該氣體在這種液體內的溶 解系數。 溶解系數大,表明氣體在液體中的溶解量多,反之則少。 響氣體在液體中的溶解量的因素很多。主要的因素有:(1)氣體本身的特性:(2)液體的特性:(3) 氣體和液體的溫度:(4)氣體的分壓, 由于溫度越高,分子的運動速度越大,故溫度越高,氣體越難浴解于液體。因浩水員總是在高壓條件 下工作,下面我們者重討論氣體在液體中的溶解量與氣體分壓間的關系。 實驗證明:在一定溫度下,氣體在液體中的溶解量與這種氣體的分壓成正比。我們把這個結論叫孿利 定律。 按照字利定律,如果氣體的分壓為 0.IMPa 時在菜種液體中溶解量為一個單位氣體,那么在 0.2MPa時 將溶解二個單位的氣體 當一種不含氣體的液體首次暴露于氣體中時,這種氣體的分子在分壓的作用下,會迅速進入液體中 當氣體進入液體后,增加了氣體的張力 《即氣體在液體中的分壓)。液體內氣體張力與液體外這種氣體分 壓之間的差值,叫做壓差梯度。壓差梯度大,氣體溶解在液體中的速度就快。 隨者時間的推移,溶解在液 體內氣體分子數量不斷增加, 氣體的張力隨之增加,與此同時,液體外的氣體因都份溶解在液體內,它的 分壓降低,溶解在液體中的氣體又有一些分子從液體中選出,增加氣體的分壓。這樣,氣體分 子不斷溶解 和逸出,當壓差梯度為委時,逸出和溶解的氣體分子數量相等,液體中溶解的氣體分子數量保特恒定,我 們稱之為液體被氣體飽和了。 氣體的溶解度(即液體被氣體飽和時,單位體積液體內溶解的氣體質量)除與氣體的分壓有關外,還 與溫度有關,溫度越高,溶解度越小,反之溫度越低,溶解度越大。 氣體在液體中的溶解規律,對保隊港水員作業具有重要的指導意義。 潛水員吸入的泥合氣中各種 氣體,梅按照各自的分壓成比例地溶于體內。由于不同氣體的溶解度不同,因此菜種氣體的溶解量與潛水 員在高壓下呼吸這種氣體的時間有關,如果時間較長,這種氣體將會在港水員體內達到飽和,當然這種飽 和過程較慢。不同的氣體在體內達到飽和需 8~-24h。 只髮潛水員所處環境的壓強不變,已溶解在體內的各種氣體的量就會保特原有的溶解狀態。 當潛水員 從水下上升出水時。隨者水深交法,靜水壓強越來越小,海解在港水員體內的混合氣的總壓也越來越小, 各種氣體的分壓辦隨之減少,溶解在潛水員體內的各種氣體因分壓誠少,不斷地逸出體外。如果按照誠壓 裝控制上升速度,那么己溶解在體內的氣體格會故顧利輸送到肺部并呼出體外。如果對上升遠度和幅度控制不當,壓力的降低超出了身體所能調節的速度,則會形成氣泡并積聚在小血管內,引發減壓病。
氣體的柢念 我不不運動論的觀點,物體分于間存在者吸引1力,這將似物體分天不的 灣想對,公子網又公產生推后力,,他分子他迎為拉開。一般糧的吃你分子阿的旺路故大,且分不的m看 很小,按服萬有 1力定你可知,一體分子問的作用力是很小的。 為了研究方他,我們證塔您略氣你分手的的作用方。所開理想公體,就是分子向設有相互作用力的氣 體。 由于理想氣體分于問沒有作用力,二T體分子可以自曲運動,遊成氣體沒有一定的,狀,體積在沒有州 力的情況下,具有無限擴妝的性質。 因為氣休分子同的距高很大,一氣體在外力作用下具有易東縮性的特點。自然界的氣休業然非究全應義 上理想氣休,但我們把亡看作理想氣體來研究,按理想一休理論推號出的有關二體定徘進行計鮮,所科的 結論誤鑒很小。故我們在有興氣體定徘的計領中,都把文際的氣體不做足理想“體。這樣處理可大大簡化 研究過程。 二、 氣體的狀態參量 對于一定質的一休,我們常用氣體的體積(w、樂強(D)和溫度(T)米描述其狀態,這三個量稱為氣質 的狀態參量。 由于氣體可以自由移動,所以具有充滿整個容器的性質。因此氣體的體積由容器的容積來決定。氣佛 體積的法定單位為立方米(m、立方厘米(cm?)和升(心)等。 溫度是用來表示物體冷熱程度的物理量。我們常用的溫度是投氏溫度。在氣體定律的計算時不能尋後 用攝氏溫度,而應使用熱力學溫度《或叫 溫度)。其單位是開爾文,簡稱開(K)。 溫度(T)和攝氏溫度()之間的關系為 T= t+273 從上式可看出,t--273°C時, 溫度T=OK。我們把這時的溫度叫 零度。 壓強在氣體定律的計算中用的是 壓強。相對壓強不能直接代入氣體定律公式中計算。三、理想氣體的氣態方程 對于一定質量的氣體,如果三個狀態參量P、V和工都不改變,我們說氣體處于某一狀態。如果這三 個量或任意二個量同時變化,我們說氣體的狀態改變了。 實驗證明:一定質量的理想氣體,它的壓強和體積的乘積與 溫度的比,在狀態變化時始終保持不 變,即:-征量 政一“-號興 (2-6) 我們把 2-6 式稱為理想氣體的氣態方程。 式中P、V、工分別為 種狀態的壓強、體積和 溫度;P2、V.工,分別為第二種狀態的壓強, 體積和 溫度。 氣態方程描述了氣體壓強、體積和 遏度之間的變化規律 對于一定質量的氣體,如果壓強、體積和 溫度三個量中一個量保持不變,那么根據2-6 式可以分 別得出,其余兩個量之間的關系。 (一)波義耳一馬咯特定律 氣體狀態交化時,溫度保特不變的過程叫做等溫過程。根據 2-6 式,當工=巧,時 P V=P,V,=恒量 (2-7) 即: 一定質量的氣體,在溫度保持不變時,氣體的壓強與體積成反比 這個規律是 17 世紀,由英國科學家波義耳和法國科學家馬路特分別發現的。我們把2-8 式稱為波義耳 -馬略特定律, (二)萱?呂薩克定律 氣體狀態變化時,壓強保持不交的過程叫做等壓過程。根據 2-6式,當P=P2時, -常 2=恒 (2-8) 即: 一定質量的氣體,在壓強保持不變時,氣體的體積與 溫度成正比。 這個規律由法國科學家蓋 ?呂薩克早發現。我們把2-8式稱為蓋 ?呂薩克定律。 (三)查理定律 氣體狀態變化時,體積保持不變的過程叫等壓過程。 根據2-6式,當 V-V時, 號-證址 (2-9) 即: 一定質量的氣體,在體積保持不變時,氣體的壓強和 溫度成正比。 這個規律由法國科學家查理首次發現。我們把2-9式稱為查理定律。 例2.3 將常壓下 31m°的空氣(溫度23C),壓入容積為 8m° 真空的加壓艙內,這時艙上壓力表指到 0.3MPa。 問艙內空氣的溫度為多少? 解:常壓空氣的 壓強為 0.1MPa,艙內空氣的壓強 0.3MPa 是相對壓強。在空氣的壓縮過程中,質 量保持不變,可運用2-6式。 己知:PI=0.1MPa VI= 31m" TI=23+273=296K P,=0.3+0.1=0.4MPa V2=8m? 求:T 根據 2-6 式Tz= Pa: V2. T, P?V -2.12號 ×296-=305.5CK) ?2= Ta-273=32.5(C) ?艙內空氣溫度升到 32.5°C。例2.4 自攜式潛水員,下水前用壓力表測得氣瓶壓強為 12MPa,瓶內空氣為 50°C,現潛入 20m 水深 處,水溫為 10°C。問潛水員到達水底時氣瓶內空氣的相對壓強為多少? 解:潛水員從水面到達水底的過程中,需不斷呼吸,消耗瓶內壓縮空氣,也就是說瓶內空氣的質量非 恒定,2-6 式已不適用。但如果潛水員快速到達水底,我們可以忽略瓶內空氣質量的減少,即近似認為值 定,這樣2-6式仍可近似使用。同時,因潛水員快速到達水底,瓶內空氣的溫度也不可能同步降至水溫, 但為了計算方便,我們近似認為潛水員到達水底,其瓶內氣溫亦降至水溫。 己知:p= 12+0.1=12.IPa T,=50+273=323K 12=10+273=283K VI=V 求:p2 根據29武號一號 可得:Py= 31. T2=12] ×283=10.6(MPa) ??相對壓強=P2-0.1=10.5(MPa) 例2.5 自攜式潛水員,在水下 20m 水深處,深呼吸吸足壓縮空氣,然后取下呼吸器,屏氣上升出水, 問到達水面時,其肺部體積為水下 20m 時的多少倍? 解:潛水員在 20m 水深時,其肺部承受到壓強與靜水壓強及水面大氣壓強之和相等。出水后,與大氣 壓強相等。因是屏氣出水,肺部內空氣的質量保持不變。 如果我們不考慮水溫和氣溫的差異,則可運用2-7 式計算, 己知:P,=P 0+0.1=0.01×20+0.1=0.3MPa P2=0.1MPa TI=T? 得:V PI = 0.3=3 即:V,=3V1 Pa 0.1 ?出水后肺部的體積是水下 20m 時的三倍。 從這個例題可以知道:這種屏氣出水是相當危險的,肺部過度膨賬會引起肺氣壓傷。正確的出水方法 是出水過程不斷呼出肺部氣體,隨深度的減少,肺部內存量氣體的質量不斷減少,這樣到達水面時,肺高 體積不會出現明顯膨胩。
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水下靠模型潛艇深入水下,其下潛大深度可達25米,然后通過該潛艇搭載的高清攝像頭,把視頻傳輸到控制室。這種潛艇對水下的視覺盲區進行檢測,對水文數據進行,甚至可替代潛水員完成水下搜救任務。水下電視攝像是水下考古、水下海洋與海上作業及石油、水利等部門的必備設備。 水下電視攝像的主要特點有低照度性能好,市場大,圖像清晰,動態范圍寬,體積小,重量輕,功耗低,堅固耐用,操作方便。海洋已經成為各個經濟體系的重要組成部分,為了觀察、記錄海洋中的各種信息,人們了各種工具,水下錄像機就是海洋的重要工具之一。 水下錄像機在生活的各個方面都有應用,范圍十分廣泛。行業水下部分包括兩根固定滑軌、四個滑輪與滑輪連接桿組成的固定架。水上部分包括電機、減速器、絞盤、轉向滑輪等。絞盤連接在一根與減速器的出軸相連的轉軸上,鋼纜跨過一個轉向滑輪將升降架與絞盤連接起來,這樣通過轉動絞盤,就可實現升降機構的升與降,使在位置。 探測了整個的設計工作:的設計分為兩個部分,一是機程序設計,此部分采用Labview設計,包括前面板設計以及視頻和圖像讀取面板設計;另一部分是下位機程序設計,此部分采用C語言對單片6自容式水下攝(錄)像機的研制機進行編程,完成下位機的操控。 SLAC實驗室研制了一種高速錄像機,此款錄像機的突出特點是采用了一個高度并行的、定制的、厚的高阻CCD,整個通過一個16通道的特定應用集成電路,所以錄像機能以每秒200幀的速度讀出數據。水下電視攝像系列產品的基礎是八六三計劃自動化領域中水下無纜機器人的視覺,屬光、機、電一體化的高科技設備,科學院科技進步二等獎和重點系產品認證,水下光學成像物鏡獲,具有很高的應用推廣價值。 水下激光成像就是基于海水對藍綠激光(波長480~540nm)的窗口效應所的一種新型水下成像。這種成像不但能用于普通水中,還能用于渾濁水中,甚至在漆黑的海底也能進行觀察。近十年來,水下激光成像研究取得重大進展,開始走向應用。 目前主要的微光成像有微光SIT(硅強靶型)、微光CCD(電荷耦合器件)、微光ICCD(強CCD)和微光EBCCD(電子轟擊CCD)等。英國、美國、、等都在積極開展水下微光成像的研究。江蘇海龍擁有水下作業的施工隊伍,持有交通部頒發的潛水員及船級社頒發的水下目視檢驗、水下磁粉探傷、水下超聲波探傷、水下焊接等。
水的浮力和潛水員的穩性、水的浮力 (一)浮力的概念 把一塊木板放入水中,它會浮在水面,用彈餐秤稱一個浸在水里的物體,其重量比在空氣中稱的重量 輕。這些事實說明浸在液體中的物體會受到一個向上的力。這種方向向上的托力,稱為液體的浮力。 浮力是怎樣產生的呢? 我們將一個正方體放入盛水的容器中,見圖21設A、 B兩 面平行于水面。A 面到水面的深度為h。B 面到水面的深度為 ho。 從中可以看出側面 C和D,E和F處于同一深度,故彼此受到 的靜水壓力大小相等,方向相反,互相抵消。但A 面和B面則不 C B 同,根據 2-1 式可知,B面壓強大于 A面壓強。即: Pgh2> pgh, E 設A、B面的面積分別為 s,顯然B面的壓力一定大于 A面 式中:D一物體受到的浮力,N 8一重力加速度,N/kg p一液體的密度,kg/m3 V一物體排開液體的體積, m 對于純水,如果口的單位用KN,g取9.8Nkg,則2-3式可簡化為 D=9.8V(kN) (2-4) (三)物體的沉浮 一塊鋼板放入水中會沉到水底,但是用鋼板制造的船卻可漂浮在水面。為什么會有這種現象呢,原來, 沒在水中的物體除受到向下的重力 W外,還受到向上的浮力 D,見圖2-2。物體的沉浮是由D和 W共同 作用的結果。 當 W=D時,合力DW=0,此時物體可以在液體內部任何位置平衡。我 們把物體的這種狀態叫懸浮狀態(也叫中性狀態)。 當 D>W 時,合力 D-W>0,方向向上,物體會溧浮在水面,我們把物體 D 的這種狀態叫漂浮狀態(也叫正浮力狀態)。 當 D-W 時,合力 W-D>0,方向向下,物體會沉到水底,我們把物體的 這種狀態叫下沉狀態(也叫負浮力狀態)。 W 顯然,在水中的物體只能處于這三種狀態中的一種。我們調節D和W 的大小。可以改變物體的沉浮狀態(簡稱為浮態)。 圖 2-2 水中物體受力圖 對物體的浮態進一步分析,實際上決定物體匯浮的因素是物體和液體各自的平均密度。當物體的平均 密度等于液體的密度時,星懸浮狀態,當物體的平均密度小于液體的密度時,呈漂浮狀態:反之,星下沉狀態。 例22 欲把一個邊長為 15cm 的正方體鋼塊(密度 p=7.8kg /cm’>從水底打撈出水,至少需多大的力? 解:鋼塊在水中分別受到向上的浮力 D 和向下的重力 w,打撈所需的力是它們間的合力。 D=9.8V=9.8x0.15°=0.033(kN) =33 (N) W=gpV=9.8x78×0.15°=0.258(kN)=258(N) W-D=258-33=225(N) ?至少需 225N 的力才能將鐵塊打撈出水面。 (四)潛水員的沉浮原理 潛水員在水中的沉浮和一般物體在水中單純的沉浮有所不同。一般物體在水中的浮態完全取決于物體 所受到的浮力和自重的差值,這個差值是固定不變的,故只能處于三種浮態中的一種。 一般物體的沉浮可 以稱做重力沉浮。潛水員和魚類在水中的沉浮相類似。 我們知道魚類在水中的沉浮,一方面通過腹內的鰾, 改變自身的排水體積,從而改變浮力和自重的差值,達到沉浮目的,這屬于重力沅浮。另一方面,運用尾 和鰭的推力達到潛游和浮游的目的,這種沉浮稱做動力沉浮。 潛水員在水中的匯浮,一種是重力沉浮,一種是動力沉浮。重潛水屬于重力沅浮,重潛水運用了壓重 物(如壓鉛),結合調節潛水服內的空氣墊,使重力和浮力的差值可以在較大范國內任意調整,達到沉浮 目的。
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