Природничі науки. 2 частина. 11 клас. Гільберг
Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.
Як сонячні промені досягають «дна повітряного океану»
Не менш цікавими є особливості поширення сонячного світла крізь атмосферу. Енергію, яку випромінює Сонце, називають сонячною радіацією. Спектр випромінювання Сонця дуже широкий і його за довжиною хвиль поділяють на кілька ділянок.
Сонячні промені поширюються зі швидкістю 3 • 105 км/с й досягають поверхні Землі через 8 хв. Потік радіації, що надходить на верхню межу земної атмосфери за одиницю часу на одиничну перпендикулярну сонячним променям поверхню за середньої відстані від Землі до Сонця, називають сонячною сталою. Міжнародна комісія з радіації рекомендувала взяти як стандартне значення сонячної сталої 1,98 кал тепла за 1 хв на 1 см2 поверхні Землі або 1382 Вт/м2. Зміст поняття «сонячна стала» полягає в тому, що на цю величину ще не впливає атмосфера.
Під час проходження крізь атмосферу сонячна радіація суттєво змінюється (мал. 8.13): частину вбирають певні газоподібні складники атмосфери та домішки й перетворюють на тепло. Частину розсіюють молекули газів повітря та тверді й рідкі домішки; частина відбивається.
Мал. 8.13. Сонячна радіація та радіаційний баланс
Руйнівні для життя гамма-промені, ультрафіолетове й рентгенівське випромінювання повністю поглинає земна атмосфера. З того випромінювання, що доходить до поверхні Землі, близько 7 % припадає на ультрафіолетову частину спектра, 48 % — на видиму, 45% — на інфрачервону (мал. 8.14).
Мал. 8.14. Склад випромінювання, що досягає поверхні Землі
Важливо: унаслідок кулястості Землі та нахилу її осі обертання до екліптики, різні території отримують різну кількість сонячної енергії. На малюнку 8.15 зображено положення Землі 21 червня, коли промені Сонця на Північному тропіку падають прямовисно. Потоки А і В розподіляються на більші площі, у той час як енергія потоку Б концентрується на меншій. Так, на території, на яку припадає потік Б, буде тепліше, ніж там, куди надходять потоки А та В. За підрахунками, полярні райони отримують сонячної радіації в 2-4 рази менше, ніж на екваторі.
Мал. 8.15. Різні території отримують різну кількість сонячної енергії
Земля не тільки одержує сонячне тепло, а й віддає його через випромінювання й відбиття (мал. 8.16). Кількість відбитої радіації — альбедо — залежить від будови та фізичних властивостей поверхні. Світла поверхня снігів, льодовиків, пісків відбиває 45-80 % енергії; океан, навпаки, більшу частину енергії вбирає (відбита становить лише 6-10 %) і стає природним акумулятором тепла. Альбедо вологого ґрунту менше, ніж сухого, а суцільний рослинний покрив відбиває лише 10-25 % сонячної радіації.
Мал. 8.16. Альбедо — здатність поверхні відбивати. А= (ІB : ІC) • 100 %
Під час проходження крізь атмосферу пряма сонячна радіація ще й розсіюється, тобто змінює напрямок поширення. Таке можливо в оптично неоднорідному середовищі, де показник заломлення змінюється. Такою є й атмосфера. Навіть за умови чистого повітря постійно змінюється його густина у зв’язку з тепловим рухом молекул. До того ж в атмосфері завжди є краплі рідини, кристали льоду й солей, пил тощо. Що більше в повітрі аерозолів, то більшим буде розсіювання. Воно залежить і від параметрів самого випромінювання. Так, фіолетові промені розсіюються в 14 разів сильніше, ніж червоні. Фіолетові та сині промені розсіюються більше, ніж блакитні, однак їхня енергія значно менша, ніж енергія блакитних променів, цим пояснюють блакитний колір неба (мал. 8.17, а).
Що довший шлях сонячних променів в атмосфері, то більше розсіюється коротких хвиль, і більшою залишається частка довгих хвиль у прямій радіації. Цим пояснюють жовте та червоне забарвлення Сонця й Місяця біля обрію, особливо коли в повітрі є багато пилу, крапель чи кристалів (мал. 8.17, б).
Мал. 8.17. а — Тихе небо понад дахом Синє та безкрає, Темні віти понад дахом Дерево схиляє. (Поль Марі Верлен1. «Тихе небо понад дахом»); б — Відмикаю світанок скрипковим ключем. Чорна ніч інкрустована ніжністю. Горизонт піднімає багряним плечем день — як нотну сторінку вічності. (Ліна Костенко2. «Відмикаю світанок скрипичним ключем»); в — ...присмерки — сонце пішло спати за далекий ліс, залишивши на обрії тремтіння золотого усміху... (Євген Гуцало3. «Діти війни»); г — І чим глибше за пагорби поринало сонце, тим нижчою ставала заграва, вужчою — вогниста смуга у воді понад лозами, наче хвилі ткали її кудись під берег (Григір Тютюнник. «Холодна м’ята»)
1 Поль Марі Верлен (1844-1896), Франція.
2 Ліна Василівна Костенко (нар. 1930), Україна.
3 Євген Пилипович Гуцало (1937-1995), Україна.
Наслідком розсіювання є вечірні й уранішні сутінки або присмерки (мал. 8.17, в). Часто до заходу й після сходу Сонця супутниками сутінок стають зміни кольорів небосхилу над цим світилом, які називають вечірньою й уранішньою зорею (мал. 8.17, г).
Заломленням світла пояснюють виникнення міражів.
Мал. 8.18. Утворення міражів
Удень у пустелі нижні шари повітря дуже прогріваються від гарячого піску, унаслідок чого повітря стає неоднорідним. Пройшовши крізь таке середовище, промінь плавно викривляється. У результаті цього, промінь, що йде зверху від блакитного неба, потрапляє в око мандрівнику знизу, і йому здається ніби він бачить блакитне озеро (мал. 8.18, а).
Такі міражі можна спостерігати спекотного літнього дня на автомобільних дорогах. Водію або пасажиру здається, що на асфальті є «калюжі», хоча насправді шосе сухе.
Міражі спостерігають і над морем. У цьому випадку тепліші шари повітря розташовані над холоднішими, й виникає так званий верхній міраж (мал. 8.18, б)
Поверхня Землі, нагрівшись, також стає джерелом випромінювання. Значну частку цього випромінювання поглинає атмосфера: хмари, вуглекислий газ, водяна пара. Нагріта атмосфера повертає Землі тепло зустрічним випромінюванням, яке компенсує втрати тепла земною поверхнею та створює парниковий ефект (мал. 8.19). Без парникового ефекту температура поверхні Землі, за оцінками, була б приблизно на 33° нижчою, ніж є насправді, і становила б 18 °С.
Уважають, що підвищення концентрації парникових газів в атмосфері, зокрема вуглекислого газу, збільшує дію парникового ефекту, що призводить до зміни клімату в глобальних масштабах — глобального потепління. За останнє століття середня температура на планеті збільшилася на 0,5 °С. Учені прогнозують подальше потепління на 1,5-4,5 °С на найближчі п’ятдесят років.
Мал. 8.19. Парниковий ефектудії
Крім вертикального обміну теплом між атмосферою і земною поверхнею, відбувається ще й горизонтальне перенесення тепла вітрами, повітряними течіями, тропосферними циклонами.
Хоча повітря є сумішшю газів, його як і будь-який газ, характеризують складом, тиском, температурою та густиною, описують певними фізичними та хімічними законами. Причому й у фізиці, і в хімії їх не один-два. Є системи газових законів, що описують властивості газів з позиції їхньої мікро- й макробудови. З погляду фізики газові закони — це закони, які пояснюють ізопроцеси, що відбуваються в ідеальному газі. У хімії закономірності для опису газів перегукуються із законами фізики. Однак ці закони застосовні до реальних газів. Тепер варто розібратися, що таке ідеальний газ та ізопроцеси.
Ідеальний газ — фізична модель реального газу, у якій молекули вважають матеріальними точками, що майже не взаємодіють між собою.
Відразу зазначимо, що реальні гази набувають властивостей ідеального газу за значного розрідження, коли середня відстань між молекулами набагато більша за їхні розміри. Більшість реальних газів за звичайної (20-25 °С) температури й нормального атмосферного тиску є близькими за своїми властивостями до ідеального газу. Найближчими до ідеального газу є водень і гелій, а також повітря (за звичайних умов).
Зв’язок між тиском (макроскопічним параметром) і такими мікроскопічними параметрами, як маса однієї молекули й середня квадратична швидкість руху молекул, установлює основне рівняння молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) газів, яке записують так:
Основне рівняння МКТ газів підтверджує такий факт: що більшими є маси молекул та їхні швидкості, а також кількість молекул в одиниці об’єму (концентрація), то більший тиск вони чинять на стінки посудини.
Якщо газ є сумішшю кількох ідеальних газів, то молекули газів кожного типу тиснуть на стінку посудини незалежно. Згідно з принципом суперпозиції сил тиски газів, які утворюють суміш (парціальні тиски), додають. Це твердження вперше сформулював у 1801 р. фізик і хімік Джон Дальтон (1766-1844, Велика Британія), тому його називають законом Дальтона. Так, атмосферний тиск складається з парціальних тисків азоту, кисню та інших газів, що містяться в атмосферному повітрі.
У 1811 р. фізик і хімік Амедео Авогадро (1776-1856, Італія) відкрив важливий для фізики та хімії закон Авогадро, згідно з яким за однакових температур і тисків у рівних об’ємах різних газів міститься однакова кількість молекул. Згідно із законом будь-який ідеальний газ кількістю речовини 1 кмоль за нормальних умов (Т = 273,15 К або 0 °С, Р = 105 Па) займає об’єм 22,4 м3.
Фізик Людвіг Больцман (1844-1906, Австрія) показав, що середня кінетична енергія хаотичного руху молекул газу пропорційна абсолютній температурі
Коефіцієнт пропорційності, що входить до формули, називають сталою Больцмана. Його значення k = 1,38 • 10-23 Дж/К — це фундаментальна фізична стала, яка пов’язує температуру в енергетичних одиницях з температурою в кельвінах. Чисельно вона дорівнює зміні кінетичної енергії однієї молекули ідеального газу за зміни температури газу на 1 К (це співвідношення, установлене для ідеального газу, справджується й для рідин і твердих тіл, у яких атоми можуть лише коливатися біля положень рівноваги у вузлах кристалічних ґраток).
Що таке температура тіла? Відповідь нам здається нібито очевидною: температура характеризує ступінь нагрітості тіла, тому одні тіла гарячіші, інші холодні. Для фізиків такого висновку недостатньо. І саме дослідження властивостей газів дало змогу пояснити фізичний зміст температури. По-перше, температура залежить від внутрішнього стану тіла (його будови, характеру руху його молекул), по-друге, поняття температури має сенс лише для величезної кількості молекул. Поняття температури втрачає зміст, наприклад, для газу в космічному просторі, де концентрація молекул настільки незначна, що вони не утворюють газу в звичайному розумінні цього слова.
Температура, тиск і об’єм певної маси газу взаємопов’язані. Якщо ці параметри змінюються, то в газі відбувається той або інший процес. У природі часто проходять процеси, у яких одночасно змінюються всі три величини, що характеризують стан газу. Рівняння, яке зв’язує параметри стану цього газу (р, V, Т), називають рівнянням стану ідеального газу.
де R — універсальна газова стала, що дорівнює добутку двох інших сталих — Больцмана й Авогадро. Його записують так:
Це рівняння ще називають рівнянням Менделєєва1 — Клапейрона2 і воно дає змогу визначити один невідомий параметр стану ідеального газу, якщо інші параметри відомі, для газу будь-якого хімічного складу й довільної маси m. Єдина величина в цьому рівнянні, що залежить від виду газу, — це його молярна маса М.
1 Дмитро Іванович Менделєєв (1834-1907), Росія.
2 Бенуа Поль Еміль Клапейрон (1799-1864), Франція.
(Молярна маса дорівнює частці відділення маси речовини т на кількість речовини n, М = m/n, а кількість речовини п дорівнює частці відділення кількості молекул (атомів чи йонів) N у певній порції речовини до числа Авогадро NA (кількості атомів у Карбоні-12 масою 0,012 кг): n = N/NA.
Якщо в рівняння pV = nRT підставити значення тиску й температури, що відповідають нормальним умовам, то виявиться, що будь-який газ кількістю речовини один моль займає об’єм V0 = 0,0224 м3. Це було встановлено експериментально Амедео Авогадро й ще раз підтвердило, що в науці є два основні напрями досліджень: теоретичні й експериментальні. Виведене на підставі молекулярно-кінетичних уявлень рівняння підтверджує встановлений експериментально закон.
Лише за тиску в сотні атмосфер (коли виявляє себе об’єм молекул газу) і за температур, близьких до температур зрідження газу (унаслідок великої сили взаємодії молекул), відхилення від результатів розрахунків за рівнянням стану ідеального газу стають істотними.
У природі часто відбуваються процеси, коли водночас змінюються всі три параметри стану газу, при цьому маса газу залишається незмінною (m = const). Якщо параметри на початку процесу, який відбувається з газом певної маси, позначити через p1, V1, T1, а їхні значення в кінці процесу — через р2, V2, Т2, то співвідношення між значеннями тих чи тих параметрів на початку і наприкінці процесу для газу незмінної маси називають газовим законом:
— під час переходу газу незмінної маси з одного стану в інший добуток його тиску на об’єм, поділений на термодинамічну температуру газу є сталою величиною.
За допомогою рівняння стану ідеального газу можна досліджувати ізопроцеси, у яких маса газу й один з трьох параметрів залишаються незмінними.
Процес зміни стану термодинамічної системи за сталої температури називають ізотермічним (m = const, М = const, Т = const).
Поштовхом для експериментів була допитливість. Незважаючи на безліч неспростовних доказів існування атмосферного тиску, багато хто не міг зрозуміти, як повітря, таке легке та рухливе, може врівноважувати стовп ртуті значної висоти.
Яке значення мають газові закони для вас з нами? Безпосередньо можливо й ні, але опосередковано — ще й яке: тепло в домівках, економіка країни, енергетична криза, політичні програми кандидатів у президенти. Здогадалися? Добування природного газу, його транспортування були б неможливі без знання газових законів так само, як і дослідження атмосферних потоків, прогнозування погоди.
Розгляньте малюнок 8.20 та спробуйте пояснити, який з ізопроцесів вони ілюструють.
Мал. 8.20. а — гумову кульку з повітрям обливають гарячою водою; б — утруднення під час пиття, коли у пляшку не потрапляє зовнішнє повітря; в — зміна об’єму бульбашки повітря, що спливає на поверхню
Ще більшого значення набувають газові закони в поєднанні із законами термодинаміки.