Вас не удивит то, что у нас есть детальные карты почти всего в нашей Солнечной системе — Луны, Марса, даже Урана. Но одно место, которое мы знаем весьма слабо, находится ближе к нам, чем любая планета или спутник — океаническое дно. Несмотря на то, что оно всего в нескольких километрах от нас, мы картографировали только около пяти процентов морского дна. Оно представляет для нас большую тайну, чем даже Плутон.
Самая глубокая часть нашего океана, Марианская впадина, более известна, чем остальное дно океана, хотя мы по-прежнему почти ничего не знаем о ней. С глубиной в 11 километров и с невероятным давлением на самом дне, впадина представляет собой весьма губительное место для любого, кто отважится спуститься туда и состряпать карту.
Но благодаря современным технологиям и нескольким смельчакам, которые исследовали впадину, рискуя жизнью, мы все же кое-что о ней знаем. Поэтому, если вы когда-нибудь будете в настроении спуститься в Марианскую впадину, вот что вы можете там найти.
Решение. Для решения задачи запишем барометрическую формулу.Барометрическая формула — зависимость давления или плотности газа от высоты в поле силы тяжести. Для идеального газа, имеющего постоянную температуру и находящегося в однородном поле тяжести (во всех точках его объёма ускорение свободного падения одинаково), барометрическая формула имеет следующий вид:
Где: р0 — давление на уровне моря, равное нормальному атмосферному давлению, р0 = 105 Па, М – молярная масса воздуха, М = 29∙10-3 кг/м3, R = 8,31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная, g — ускорение свободного падения, g = 9,8 м/с2.
Upload
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
- На
некоторой планете ускорение на
поверхности составляет 15 м/с2,
давление на поверхности планеты
составляет 0,8 атм, а на высоте 1 км – 0,5
атм. Каково давление на высоте 3 км, если
предположить, что атмосфера изотермическая
(t
= 20°C)? - На
некоторой планете ускорение на
поверхности составляет 15 м/с2,
давление на поверхности планеты
составляет 0,8 атм, а на высоте 1 км – 0,5
атм. Каков средний молекулярный вес
газов, из которых состоит атмосфера,
если предположить, что атмосфера
изотермическая
1
атм. Каково давление на высоте 3
км, если предположить, что
Атмосфера
изотермическая (t
= 20°C)?
1
атм. Каков средний молекулярный вес
газов, из которых состоит
атмосфера,
если предположить, чт о атмосфера
изотермическая
- Оценить
число молекул воздуха в земной атмосфере,
если давление воздуха вблизи поверхности
Земли на уровне моря равно 760 мм рт.ст.,
молярная масса воздуха 29 г/моль. Радиус
Земли 6400 км. Ускорение свободного
падения считать постоянным и равным
9,8 м/с2. - Найти
давление атмосферы на высоте 10 км, если
у поверхности Земли оно равно 1000 ГПа.
Считать воздух газом с относительной
молекулярной массой 29 и постоянной
температурой 27С.
Движение воздушных масс не учитывать. - На
какой высоте плотность воздуха составляет
50 % от плотности его на уровне моря?
Температуру считать постоянной и равной
0С. - Предполагается,
что мельчайшие пылинки, находящиеся в
воздухе, можно рассматривать как
гигантские молекулы и применять к ним
закономерности молекулярно-кинетической
теории. Определить, во сколько раз
снижается концентрация пылинок при
увеличении высоты на 5 см. Массу пылинок
принять равной 1019
кг. Температуру воздуха принять равной
17С.
Движение воздушных масс не учитывать. - На
какой высоте плотность кислорода
уменьшается на 1?Температура
кислорода 27С. - Определить
наиболее вероятную скорость vнв
молекул
кислорода при 300С
и долю молекул, скорости которых лежат
в интервале vнв
1
м/с. - Найти
давление атмосферы на высоте 5 км, если
у поверхности Земли оно равно 1000 гПа.
Считать воздух газом с относительной
молекулярной массой 29 и постоянной
температурой 27С.
Движение воздушных масс не учитывать. - На
какой высоте над поверхностью Земли
атмосферное давление вдвое меньше, чем
на поверхности? Температуру воздуха
считать неизменной и равной 0С. - Определить
плотность водорода, если средняя длина
свободного пробега его молекул 0,1 см.
Диаметр молекулы водорода принять
равным 0,23 нм. - Определить
среднюю арифметическую скорость V
молекул газа, если известно, что средняя
квадратичная скорость их 1000 м/с. Какая
доля молекул газа обладает скоростями,
лежащими в интервале v1
м/с? - Определить
долю молекул водорода, модули скоростей
которых при температуре 270С
лежат в интервале от 1898 м/с до 1902 м/с . - Найти
концентрацию молекул на высоте 5 км,
если у поверхности Земли давление равно
1000 гПа. Считать, что атмосфера состоит
из кислорода с постоянной температурой
270
С.
Движение воздушных масс не учитывать.
- Найти
число молекул гелия в объеме 1 см3,
скорости которых лежат в интервале от
2,39103
м/с до 2,4103
м/с. Температура гелия 690 0С,
его плотность 2,16∙10-4
кг/м3. - Найти
число молекул кислорода, находящихся
при нормальных условиях в 1см3
и обладающих скоростью между 450 и 452
м/с. - Найти
число молекул азота, находящихся при
нормальных условиях в 1 см3
и обладающих скоростью между 499 и 501
м/с. - В
сосуде объемом 3 л находится 2 г водорода
под давлением 0,83 МПа. Найти, сколько
молекул водорода при этих условиях
обладают скоростями в интервале от
1900 м/с до 1905 м/с. - На
какой высоте плотность кислорода
уменьшается на 1 %? Температура кислорода
270С. - На
какой высоте плотность над поверхностью
Земли в два раза меньше, чем на поверхности?
Температуру t
воздуха считать неизменной и равной
00С. - Какая
часть молекул кислорода при комнатной
температуре t
= 170С
обладает скоростями, лежащими в интервале
(Vср
± 30м/с)? - Сколько
весит 1 м3
воздуха: 1)у поверхности земли; 2)на
высоте 4 км от поверхности Земли?
Температуру считать постоянной и равной
00С.
Давление у поверхности земли равно
105Па. - Высочайшая
на Земле гора (Джомолунгма в Гималаях)
имеет высоту 8848 м. Во сколько раз
атмосферное давление на ее вершине
меньше, чем у ее подножия? Температуру
воздуха принять равной 00С,
движение воздушных масс не учитывать. - При
каком значении скорости V
пересекаются кривые распределения
Максвелла для температур Т1
и Т2=2Т1? - В
баллоне объемом 10 л находится 8 г
водорода под давлением
1
МПа. Найти число молекул водорода в
баллоне, скорости которых
- Найти
давление воздуха в шахте на глубине 10
км. На поверхности земли давление равно
760 мм рт. ст. Считать, что температура
воздуха 00С,
а молекулярная масса равна 29. - Найти
концентрацию молекул высоте 10 км, если
у поверхности Земли давление равно
1000 гПа. Считать воздух газом с относительной
молекулярной массой 29 и постоянной
температурой 17 0С.
Движение воздушных масс не учитывать.
ЗАДАЧА 2.1.1 Определить долю молекул водорода, модули скоростей которых при температуре 27° С лежат в интервале от 1898 м/с до 1902 м/с.
Дано: Т= 300 К;
= 1898 м/с;
В данной задаче удобнее воспользоваться распределением молекул по относительным скоростям. Доля молекул
, относительные скорости которых заключены в интервале от u до
– наиболее вероятная скорость;
С учетом этих выражений формула (7) примет вид
Для удобства сначала вычислим
и отношение скоростей
Подставим численные значения в (1) и найдем долю молекул водорода, модули скоростей которых лежат в интервале от v 1 до v 2 :
ЗАДАЧА 2.1.2 На какой высоте над уровнем моря атмосферное давление составляет 78 кПа, если температура воздуха 170С и не меняется с высотой, а давление на уровне моря нормальное? Найти число частиц в единице объема на этой высоте.
Дано: T =290 К =const; рh = 78·103 Па; р0 = 105 Па; µ= 0,029 кг/моль.
Найти: h -? n1 -?
Температура не меняется с высотой, для нахождения давления воспользуемся барометрической формулой
Отсюда находим h
=1,95·1025 м-3; nh» 1,95·1025 м-3.
ЗАДАЧА 2.1.3 Броуновские частицы с массой 4 фг ведут себя в тепловом движении подобно гигантским молекулам, и к ним можно применить закономерности молекулярно-кинетической теории. Исходя из этого, определить, во сколько раз уменьшится концентрация броуновских частиц при увеличении высоты на 1 мм. Температуру принять равной 300 К.
Дано: m0 = 4 фг = 4
Для броуновских частиц воспользуемся распределением молекул по
высоте (распределение Больцмана):
где n и n0 – концентрация молекул на высоте h и на высоте h = 0, соответственно. Выразим
Проведем вычисления, подставив численные значения,
= 12386, то есть концентрация частиц уменьшится в 12386 раз.
2.2 Задачи к теме «Статическая физика. Распределение Максвелла. Барометрическая формула»
144. На некоторой планете ускорение на поверхности составляет 5 м/с2, давление на поверхности планеты составляет 0,2 атм, а на высоте 1 км давление равно 0,1 атм. Каково давление на высоте 3 км, если предположить, что атмосфера изотермическая (t = 20°C)?
145. На некоторой планете ускорение на поверхности составляет 5 м/с2, давление на поверхности планеты составляет 0,2 атм, а на высоте 1 км – 0,1 атм. Каков средний молекулярный вес газов, из которых состоит атмосфера, если предположить, что атмосфера изотермическая
146. На некоторой планете ускорение на поверхности составляет 15 м/с2, давление на поверхности планеты составляет 0,8 атм, а на высоте 1 км – 0,5 атм. Каково давление на высоте 3 км, если предположить, что атмосфера изотермическая (t = 20°C)?
147. На некоторой планете ускорение на поверхности составляет 15 м/с2, давление на поверхности планеты составляет 0,8 атм, а на высоте 1 км – 0,5 атм. Каков средний молекулярный вес газов, из которых состоит атмосфера, если предположить, что атмосфера изотермическая
148. На некоторой планете ускорение на поверхности составляет 10 м/с2, давление на поверхности планеты составляет 2 атм, а на высоте 1 км –
149. На некоторой планете ускорение на поверхности составляет 10 м/с2, давление на поверхности планеты составляет 2 атм, а на высоте 1 км –
атмосфера, если предположить, чт о атмосфера изотермическая
150. Оценить число молекул воздуха в земной атмосфере, если давление воздуха вблизи поверхности Земли на уровне моря равно 760 мм рт.ст., молярная масса воздуха 29 г/моль. Радиус Земли 6400 км. Ускорение свободного падения считать постоянным и равным 9,8 м/с2.
151. Найти давление атмосферы на высоте 10 км, если у поверхности Земли оно равно 1000 ГПа. Считать воздух газом с относительной молекулярной массой 29 и постоянной температурой 27°С. Движение воздушных масс не учитывать.
152. На какой высоте плотность воздуха составляет 50 % от плотности его на уровне моря? Температуру считать постоянной и равной 0°С.
153. Предполагается, что мельчайшие пылинки, находящиеся в воздухе, можно рассматривать как гигантские молекулы и применять к ним закономерности молекулярно-кинетической теории. Определить, во сколько раз снижается концентрация пылинок при увеличении высоты на 5 см. Массу пылинок принять равной 10-19 кг. Температуру воздуха принять равной 17°С. Движение воздушных масс не учитывать.
154. На какой высоте плотность кислорода уменьшается на 1%? Температура кислорода 27°С.
155. Определить наиболее вероятную скорость v нв молекул кислорода при 300°С и долю молекул, скорости которых лежат в интервале v нв ±1 м/с.
156. Найти давление атмосферы на высоте 5 км, если у поверхности Земли оно равно 1000 гПа. Считать воздух газом с относительной молекулярной массой 29 и постоянной температурой 27°С. Движение воздушных масс не учитывать.
157. На какой высоте над поверхностью Земли атмосферное давление вдвое меньше, чем на поверхности? Температуру воздуха считать неизменной и равной 0°С.
158. Определить плотность водорода, если средняя длина свободного пробега его молекул 0,1 см. Диаметр молекулы водорода принять равным 0,23 нм.
159. Какая доля общего числа молекул газа обладает скоростями, отличающимися от средней квадратичной не больше чем на 10?
160. Определить среднюю арифметическую скорость V молекул газа, если известно, что средняя квадратичная скорость их 1000 м/с. Какая доля молекул газа обладает скоростями, лежащими в интервале v ±1 м/с?
161. Определить долю молекул водорода, модули скоростей которых при температуре 270С лежат в интервале от 1898 м/с до 1902 м/с.
162. Найти концентрацию молекул на высоте 5 км, если у поверхности Земли давление равно 1000 гПа. Считать, что атмосфера состоит из кислорода с постоянной температурой 270 С. Движение воздушных масс не учитывать.
163. Найти число молекул гелия в объеме 1 см3, скорости которых лежат в интервале от 2,39×103 м/с до 2,4×103 м/с. Температура гелия 690 0С, его плотность 2,16∙10-4 кг/м3.
164. Найти число молекул кислорода, находящихся при нормальных условиях в 1см3 и обладающих скоростью между 450 и 452 м/с.
165. Найти число молекул азота, находящихся при нормальных условиях в 1 см3 и обладающих скоростью между 499 и 501 м/с.
166. В сосуде объемом 3 л находится 2 г водорода под давлением 0,83 МПа. Найти, сколько молекул водорода при этих условиях обладают скоростями в интервале от 1900 м/с до 1905 м/с.
167. На какой высоте плотность кислорода уменьшается на 1 %? Температура кислорода 270С.
168. Какая часть молекул имеет кинетическую энергию поступательного движения, отличавшуюся от средней кинетической энергии поступательного движения на 1 %?
169. На какой высоте плотность над поверхностью Земли в два раза меньше, чем на поверхности? Температуру t воздуха считать неизменной и равной 00С.
170. Какая часть молекул кислорода при комнатной температуре t = 170С обладает скоростями, лежащими в интервале (Vср ± 30м/с)?
171. Сколько весит 1 м3 воздуха: 1)у поверхности земли; 2)на высоте 4 км от поверхности Земли? Температуру считать постоянной и равной 00С. Давление у поверхности земли равно 105Па.
172. Высочайшая на Земле гора (Джомолунгма в Гималаях) имеет высоту 8848 м. Во сколько раз атмосферное давление на ее вершине меньше, чем у ее подножия? Температуру воздуха принять равной 00С, движение воздушных масс не учитывать.
173. При каком значении скорости V пересекаются кривые распределения Максвелла для температур Т1 и Т2=2Т1?
174. В баллоне объемом 10 л находится 8 г водорода под давлением
1 МПа. Найти число молекул водорода в баллоне, скорости которых
менее 20 м/с.
175. Найти давление воздуха в шахте на глубине 10 км. На поверхности земли давление равно 760 мм рт. ст. Считать, что температура воздуха 00С, а молекулярная масса равна 29.
176. Найти концентрацию молекул высоте 10 км, если у поверхности Земли давление равно 1000 гПа. Считать воздух газом с относительной молекулярной массой 29 и постоянной температурой 17 0С. Движение воздушных масс не учитывать.
Поиск по сайту:
mydocx.ru — 2015-2023 year. (0.016 sec.)
Джеймс Кэмерон
Да, тот мужик, который снял «Титаник». Один из самых известных режиссеров в мире является поклонником океанической жизни и даже снарядил свою собственную экспедицию на дно Марианской впадины.
С момента открытия в 1875 году, самая глубокая часть Впадины, известная как Challenger Deep, приняла в гости аж трех человек (сравните: на Луне побывало двенадцать человек). Первые два, Дон Уолш и Жак Пикар, добрались до дна 23 января 1960 года. Поскольку их судно называлось Challenger, соответственным образом обозначили и покоренную глубину. Откуда взялась часть «Deep», никто не знает.
Прошло более 52 лет, прежде чем другой исследователь отважился спуститься в холодные воды, хотя и был простым режиссером. 26 марта 2012 года Кэмерон спустился на дно впадины и сделал несколько фотографий, первых снимков Challenger Deep.
Гигантские ядовитые амебы
Если вы видели новорожденного щенка, примерно 10 сантиметров в длину, ваша первая реакция была весьма жизнерадостной и наверняка полной умиления. Но если вы увидите 10-сантиметровую амебу, вы наверняка по-быстрому соберете чемоданчик и уедете подальше, сдерживая крик.
В Марианской впадине такие амебы везде. Называются они «ксенофиофоры». И хотя они одноклеточные, большими они стали именно благодаря холодной температуре, высокому давлению и недостатку солнечного света. Именно эти параметры стали причиной кошмарных размеров амебы.
Кроме того, эти амебы обладают иммунитетом ко многим элементам и химическим веществам, которые убили бы большую часть видов на Земле. Поглощая минералы и частицы из воды, ксенофиофоры развили иммунитет даже к урану, ртути, свинцу и многим другим весьма вредным веществам.
Эти амебы были однажды обнаружены на глубине 10,6 километров, но никто не удивится, если однажды их найдут еще глубже.
Невероятно горячая вода
Если вы собираетесь нырять на 11 километров в глубину, вода очень быстро станет крайне холодной. На такой глубине температура воды чуть выше нуля, от 1 до 4 градусов по Цельсию. Но захватить одежду на все времена года тоже придется.
Особенно пригодится летняя — когда вы приблизитесь к гидротермальным источникам примерно на глубине 1,6 километров. В мире, где вода находится в одном шаге от превращения в лед, есть несколько гейзеров, которые нагревают воду примерно до 450 градусов по Цельсию. Вода из этих отверстий (известных также как «черные курильщики») выстреливает тоннами минералов, которые помогают процветать жизни в этой области. Существам, которых угораздило родиться в Марианской впадине, крайне необходимы эти минералы и энергия гейзеров, поскольку на такой глубине ни один лучик солнца не пробивается сквозь толщу воды. Они вынуждены плавать возле горячей воды или погибнут.
Несмотря на высокую температуру, эта вода не кипит. Это связано с интенсивным давлением (в 155 раз больше, чем на поверхности). При повышенном давлении точка кипения растет.
На что похожа земля под водой? Скорее всего, на кучу мокрого песка. Но если вы будете плыть все глубже и глубже, земля будет сильно и сильно меняться. Дело в том, что все в Марианской впадине стекает в самый низ, образуя одеяло неприглядного вязкого ила.
Песка, как мы его знаем, в действительности там нет. На его месте, кхм, есть только смерть. Точнее, ее следы. Дно Впадины состоит из измельченных раковин и трупиков планктона, которые спускались на дно на протяжении многих лет. В связи с огромным давлением воды, все когда-нибудь превращается в серовато-желтый, почти шелковистый ил. Учитывая время существования Впадины (многие ученые считают, что это самое старое место в океане), можно только удивляться тому, как глубоко спускается илистое дно, прежде чем начинается сама Земля.
Памятник
К сожалению, пока никто не установил в Марианской впадине статую или подводный отель для туристов. Но сама Впадина представляет собой памятник, заповедник, подзащитный США.
В январе 2009 года президент Джордж Буш подписал законный акт, назначающий Марианскую впадину национальным памятником, охватывающим более 246 тысяч квадратных километров. Это самый большой морской заповедник в мире, даже больше, чем Морской национальный памятник Папаханаумокуакеа.
Поскольку это национальный памятник, в его отношении работают строгие правила посещения. Рыболовство строго запрещено, поэтому половить амеб вам не удастся. Плавание разрешено, но ниже буйков не заплывать.
Ничего
Конечно, мы не собираемся говорить о том, что в Марианской впадине вообще ничего нет. Это было бы глупо, учитывая все, что мы упомянули до сих пор. Ни гигантская амеба, ни причудливая рыба, которых вы можете встретить по дороге вниз, не подготовит вас к тому, что вы найдете внизу: совершенно ничего.
Пока Джеймс Кэмерон в 2012 году погружался в Challenger Deep, он наблюдал все, что хотел, прежде чем механическое повреждение заставило его вернуться на поверхность. Пока он был там, он пришел к шокирующему выводу: помимо случайных креветок, его постоянным спутником было одиночество. В Марианской впадине нет ужасных морских чудовищ, чудес эволюции или жестоких и прекрасных проявлений природы во всей ее примитивности. Там был только Джеймс и небольшой металлический шар, которому не с кем было поговорить.
Мосты
В конце 2011 года в Марианской впадине было обнаружено четыре каменных моста, простирающихся из одного конца в другой (примерно на 69 километров). Судя по всему, мосты были образованы встречей тихоокеанской и филиппинской тектонических плит. Тихоокеанская плита в конечном итоге столкнулась с филиппинской плитой, и подводные материалы с обеих сторон столкнулись друг с другом, образовав то, что мы видим сегодня.
Один из мостов, Даттон Ридж, был обнаружен еще в 1980-х годах, но был отснят только в низком разрешении. Однако и это помогло определить, что Даттон Ридж невероятно высокий, почти как небольшая гора. На самом высоком пике его хребет достигает высоты 2,5 километра над Challenger Deep. То есть он находится на 8-километровой глубине.
Как и многие другие аспекты Впадины, эти мосты служат неизвестным целям. В конце концов не так много подводных существ пользуется мостами.
Чистый жидкий диоксид углерода
Большинство гидротермальных источников, о которых мы говорили ранее, не выбрасывают ничего, кроме горячей воды. Но вот один такой гейзер вместо воды выпускает чистый жидкий углекислый газ.
За пределами прогиба Окинавы возле Тайваня есть гейзер Шампань в Марианской впадине, единственная известная область под водой, где существует жидкая углекислота. Обнаруженный в начале 2005 года, гейзер получил свое название из-за пузырьков, которые на первый взгляд казались безвредными. При ближайшем рассмотрении выяснилось, что эти пузырьки — CO2.
Хотя поглощение чистого углекислого газа станет смертельным для многих из нас, похоже на то, что такие гейзеры — кстати, «белые курильщики» — из-за своей низкой температуры могли быть источником самой жизни. Старая теория «первичного бульона» гласит, что жизнь началась в глубоких водах возле подобных гидротермальных источников. Шампань обеспечивает обилие химических веществ, энергии и все это при низкой температуре — идеальный рецепт для формирования и процветания жизни.
Жидкая сера
Подводный вулкан Дайкоку находится примерно в 40 атмосферах (414 метрах) вниз по Впадине. Учитывая ее глубину в 11 километров, это не особо впечатляет. Но Дайкоку содержит одну из самых редких достопримечательностей на планете — озеро чистой расплавленной серы. Единственный аналог такого озера есть на Ио, спутнике Юпитера. Но вряд ли мы туда доберемся.
Названная «Котлом» по понятным причинам, эта яма пузырится черной смесью при температуре в 187 градусов по Цельсию. Ее пока не изучили в деталях, но белый дым, исходящий от одного из окрестных кратеров показывает, что может быть больше чем один «котел». Но если это так, жизнь вполне могла зародиться в Марианской впадине.
Согласно гипотезе Геи, старому и раскритикованному взгляду на мир, вся планета представляет собой единую и саморегулируемую сущность, когда органическая жизнь и неорганические минералы собираются вместе для поддержания жизни планеты. Конечно, во многом это миф, но ученые полагают, что сера, выходящая в атмосферу, проходит цикл и наделяет жизнь ценными минералами. То есть даже сера могла быть причиной поддержания жизни на Земле.
Моллюски
Мощное давление воды в Марианской впадине не позволяет выжить чему-либо с твердой оболочкой или костями, поэтому там полно морских огурцов и гигантских амеб. Если вы отвезете туда черепаху, ее раздавит собственный «домик».
Тем не менее недавно во Впадине были обнаружены покрытые раковинами животные вроде моллюсков. Их нашли в 2012 году преимущественно возле гидротермальных источников из змеевика. Камень змеевик богат важными для жизни минералами, водородом и метаном, что позволяет жизни процветать возле него. Никто пока не знает, как моллюски нарастили себе панцири в условиях такого давления, и они тоже не говорят.
Тем не менее эти источники источают и другой газ, — сероводород — который в обычных условиях смертелен для моллюсков. К счастью для них, они развили способность связывать сульфиды в безвредные белки, тем самым сведя их токсичность к нулю.