Производственная санитария

Размещено на http://www.allbest.ru

«ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ СИ

1.1 Исторические сведения

1.2 Определения основных единиц СИ

1.3 Производные единицы СИ

2. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА

2.1 Основные понятия термодинамики

2.2 Уравнение состояния идеальных газов

2.3 Уравнение состояния реальных газов

2.4 Газовые законы

2.5 Температура

2.6 Измерение температуры. Абсолютный нуль температуры

2.7 Атмосферное давление

2.8 Насыщенный пар

2.9 Кипение

2.10 Относительная влажность воздуха

2.11 Тепловое (инфракрасное) излучение

2.12 Приборы для измерения параметров микроклимата

3. ЗАПЫЛЕННОСТЬ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

3.1 Характеристики аэрозольных систем и их параметры

3.2 Единицы измерения концентраций

3.3 Методы и приборы измерения характеристик запыленности воздуха рабочей зоны

4. АЭРОИОНИЗАЦИЯ ВОЗДУХА

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА

5.1 Волновые процессы. Продольные и поперечные волны

5.2 Характеристики звуковых волн

5.3 Эффект Доплера в акустике

5.4 Субъективное восприятие звука

5.5 Классификация шумов

5.6 Источники шума и их характеристики

5.7 Коэффициенты отражения, поглощения, прохождения звука

5.8 Реверберация

5.9 Основные способы защиты от шума

5.10 Приборы и методы измерения шума

6. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИБРАЦИИ

6.1 Свободные и вынужденные колебания

6.2 Основные параметры вибрации

6.3 Физические основы виброзащиты

6.4 Техника измерения вибраций

7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ (ЭМП) И ИЗЛУЧЕНИЯ

7.1 Спектр электромагнитных излучений

7.2 Электростатические поля

7.3 Магнитное поле

7.4 Физические основы защиты от ЭМП

7.5 Приборы и методики измерений ЭМИ

8. ПОКАЗАТЕЛИ СВЕТОВОЙ СРЕДЫ

8.1 Спектральная чувствительность глаз

8.2 Точечные источники света

8.3 Энергия излучения. Световой поток

8.4 Сила света, освещенность и яркость

8.5 Законы освещенности

8.6 Единицы измерения количественных светотехнических величин

8.7 Отражение и рассеивание света

8.8 Яркость освещенных поверхностей

8.9 Качественные светотехнические величины

8.10 Световые измерения и измерительные приборы

9. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

9.1 Строение и важнейшие свойства ядер

9.2 Радиоактивность

9.3 б- и в-распад

9.4 Активность радионуклида

9.5 Радиационные дозы и единицы их измерения

9.6 Основные методы измерений характеристик ионизирующих излучений

10. ЛАЗЕРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Условия труда на рабочих местах производственных помещений или площадок складываются под воздействием большого числа факторов, различных по своей природе, формам проявления, характеру действия на человека.

Факторы могут быть классифицированы по ряду признаков. Основным признаком является характер взаимодействия с человеком. По этому признаку производственные факторы делятся на три группы: 1) активные; 2) пассивно-активные; 3) пассивные.

К активным относятся факторы, которые могут оказать воздействие на человека посредством заключенных в них энергетических ресурсов. По виду энергии эта группа факторов подразделяется на следующие подгруппы:

а) механические факторы, характеризующиеся кинетической и потенциальной энергией и механическим влиянием на человека;

б) термические факторы, характеризующиеся тепловой энергией и и аномальной температурой (отрицательной и положительной);

в) электрические факторы: электрический ток, статическое электричество, ионизирующие излучения, электрическое поле, аномальная ионизация воздуха;

г) электромагнитные факторы: освещенность, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация, электромагнитные излучения, магнитное поле;

д) химические факторы: едкие, ядовитые, огне- и взрывоопасные вещества, наличие вредных примесей в воздухе;

е) биологические факторы: опасные свойства микро- и макроорганизмов, продукты жизнедеятельности людей и других биологических объектов;

ж) психофизиологические: утомление, стресс, неудобная поза и т. п.

К пассивно-активной группе относятся факторы, активизирующиеся за счет энергии, носителей которой является человек или оборудование. К этой группе относятся: острые неподвижные элементы; незначительное трение между соприкасающимися поверхностями (малый коэффициент трения); неровности поверхности, по которой перемещается человек и машины в процессе деятельности; уклоны и подъемы.

К пассивным относятся факторы, проявляющиеся опосредованно. К этой группе относятся опасные свойства, связанные с коррозией материалов, накипью, недостаточной прочностью конструкций, повышенными нагрузками на механизмы и т. д.

По структуре различают факторы: простые (электрический ток, повышенная запыленность воздуха и т. п.); производные, порождаемые взаимодействием простых факторов (пожары, взрывы).

По последствиям выделяют факторы, вызывающие утомление человека, заболевания, травмы, аварии, пожары.

По наносимому ущербу различают факторы, приносящие социальный ущерб, экономический, экологический.

Носителями опасных и вредных производственных факторов являются: предметы труда, средства производства, продукты труда, энергия, природно-климатическая среда, флора, фауна, люди, производственная сфера.

Факторы характеризуются потенциалом, качеством, временем существования или воздействия на человека, вероятностью появления. Размерами зоны действия.

В соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 различают опасные и вредные производственные факторы (ОВПФ).

Вредный производственный фактор - фактор среды и трудового процесса, воздействие которого на работающего при определенных условиях (интенсивность, длительность и др.) может вызывать профессиональное заболевание, временное или стойкое снижение работоспособности, повысить частоту соматических и инфекционных заболеваний, привести к нарушению здоровья потомства.

Опасный производственный фактор - фактор среды и трудового процесса, который может быть причиной травмы, острого заболевания или внезапного резкого ухудшения здоровья, смерти.

Один и тот же производственный фактор в зависимости от его уровня может являться и опасным и вредным.

Все ОВПФ по ГОСТ 12.0.003-74 делятся на четыре группы:

- физические;

- химические;

- биологические;

- психофизиологические.

В настоящем пособии будут рассматриваться основные физические вредные производственные факторы, которые оцениваются при аттестации рабочих мест по условиям труда.

труд производственный микроклимат запыленность шум вибрация излучение

1. МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ

1.1 Исторические сведения

Измерения позволяют количественно сравнивать масштабы, свойства предметов и явлений.

Единая Международная система единиц устанавливает и объединяет большинство единиц измерения из всех разделов деятельности человека. Эта система получила сокращенное название СИ (System International), а ее единицы называются единицами СИ.

Первый решительный шаг к единой для всех стран и народов системе единиц был сделан после Великой французской революции 1789 г. Французские ученые разработали новую систему мер - метрическую - и предложили всем странам принять её. Идея метрической системы была гениально проста. Система счисления - десятичная, единица длины - метр, равный одной сорокамиллионной части меридиана Земли, проходящего через Париж.

Все остальные единицы физических величин, необходимые для того времени, предложили сделать производными из единицы длины - метра и на основе физических свойств самого распространённого вещества на Земле - воды.

С помощью геодезических измерений с максимальной точностью была определена длина Парижского меридиана на участке от Дюнкерка до Барселоны. Эти измерения заняли много лет. 1/40000 часть длины Парижского меридиана была названа словом метр.

За единицу массы была принята масса 1 дм³ при 4 ⁰С, названная килограммом. Из платино-иридиевого сплава изготовили эталон килограмма. Копии этих эталонов, тщательно изготовленные и сверенные с архивными, были разосланы во все страны и хранятся в институтах мер и весов разных стран.

За единицу времени была принята секунда, равная 1/86400 доле суток - времени обращения земли вокруг своей оси.

Другие единицы образовывались от основных: м², м/с и т. д.

В нашей стране метрическая система принята в 1918 г. Но, несмотря, казалось бы, на простоту и однозначность метрической системы мер, к началу ХХ в. в науке и технике появился целый ряд метрических систем единиц. Различались они выбором основных:

СГС - см; г; с.

МКГСС - м, кг-сила, с.

МТС - м, т, с.

Переход от одной системы к другой был затруднителен. Стала очевидной необходимость замены всех этих систем одной, универсальной системой.

В 1960 г. ХI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила и рекомендовала всем странам Международную систему единиц СИ. В СИ имеется семь основных единиц, из которых могут быть образованы всевозможные единицы существующих физических величин: метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, кандела, моль.

1.2 Определения основных единиц СИ

Метр (м, m) - единица длины. Архивный метр оказался короче 1/40000 доли парижского меридиана (на 0,2 мм). Еще более неприятным оказалось, что метр и его эталоны, разосланные в разные страны, изменились со временем в результате перекристаллизации в сплаве. Ученые обнаружили это измеряя длины эталонов при помощи световых волн. При этом они открыли, что длина волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, гораздо постояннее, чем длина металла эталона метра. С помощью интерференционных компараторов можно измерить длину эталона, сравнивая её с длиной световой волны. Особенно пригодной для этой цели оказалась длина волны оранжевой линии спектра, излучаемого ⁸⁶Kr при пропускании через него электрического тока. Длина этой волны принята за естественный эталон единицы длины - метра.

Метр - длина, равная 1 650 763, 73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 p₁₀ и 5 d₅ атома ⁸⁶Kr.

Погрешность воспроизведения метра составляет около 10^-8.

Число длин волн выбрано так, чтобы эта единица длины совпадала возможно точнее с парижским метром. Поэтому за единицу и не была выбрана длина, на которой укладывалась бы какое-либо круглое число длин волн.

Государственный эталон метра представляет собой сложный комплекс аппаратуры, включающий криптоновую лампу, фотоэлектрический интерферометр и другие приборы. Эталон создан и хранится в Институте метрологии им. Менделеева (Санкт-Петербург).

Килограмм (кг, кg) - единица измерения массы. Масса - мера инерции. Масса тела есть его характерное физическое свойство, определяющее соотношение между действующей на это тело силой и сообщаемым ею телу ускорением.

Определение килограмма как массы 1 литра воды при 4 ⁰С оказалось неточным. Масса 1 л при 4 ⁰С на 28 г меньше, чем изготовленный во Франции эталон из платино-иридиевого сплава сплава. Но в отличие от эталона метра масса эталона килограмма практически совершенно не меняется со временем, и сравнить эталон килограмма с его копиями можно с большой точностью - до нескольких миллиардных долей. Это позволило положить его в основу принятого в СИ определения килограмма: килограмм равен массе международного прототипа (90 % платины + 10 % иридия) в виде цилиндрической гири.

Секунда (с, s) - единица времени - самая древнейшая, она ведёт своё происхождение от системы измерения времени, изобретённой в древнем Шумерском царстве и Вавилоне. В сутках - полном обороте Земли вокруг своей оси - 24 часа, в часе - 60 мин, в минуте - 60 секунд, в полных сутках - 86 400 с.

Секунда - (лат. secunda divisio - второе деление). Точные исследования показали, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно. Неравномерно и её вращение вокруг солнца. Эта неравномерность была замечена с помощью точнейших кварцевых часов. В них использовано свойство кварцевой пластинки, вырезанной из кристалла горного хрусталя, совершать строго определённое число колебаний в секунду. В настоящее время созданы ещё более точные атомные часы. Если атому ¹³³Cs сообщить избыточную энергию, то атом испускает обратно эту избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, частота и период которого строго постоянны и совершенно одинаковы для всех существующих атомов ¹³³Cs.

ХIII Генеральная конференция по мерам и весам в 1968 г. утвердила определение секунды: секунда - 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома ¹³³Cs (переход атома из возбуждённого в обычное состояние).

Ампер (А) - единица силы электрического тока. Эта единица устанавливается на основе открытого Ампером фундаментального закона о взаимодействии электрических токов, протекающих по параллельным проводникам.

Ампер - сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным проводникам, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м, вызывает между этими проводниками силу притяжения, равную 2*10^-7 Н на каждый метр длины проводников.

Для воспроизведения ампера используют эталонные токовые весы. Ток пропускают через две катушки: одна из них неподвижна, а другая прикреплена к коромыслу точных весов. Подвижная катушка может втягиваться внутрь неподвижной, когда через них пропускают ток. Силу втягивания можно очень точно измерить, уравновесив её весом гирь на другом плече коромысла весов. Определённый таким образом ампер не нуждается в естественном «эталоне», так как установлен посредством единиц длины и силы. Можно было бы определить единицу силы тока как единицу количества электричества (Кл) естественным «эталоном», - скажем, зарядом электрона. Но пока ещё заряд электрона (или число электронов, составляющих кулон) известно с недостаточной точностью, чтобы его можно было принять за единицу в СИ. Взаимодействием катушек с током ампер определяется менее точно, чем определены эталоны длины, массы и времени; поэтому ведутся изыскания более точного эталона для электрических измерений.

Кельвин (К) - единица термодинамической температуры. Нуль кельвинов - теоретически наинизшая температура. Если бы её можно было достичь, то прекратилось бы движение всех атомов и молекул. В термодинамической температурной шкале точка сосуществования трёх фаз воды - льда, воды как жидкости и паров воды (при равновесном давлении 6 кПа) - принимается равной 273,16 К. Кельвин - 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Термодинамическую температуру практически измеряют гелиевым или водородным термометром, определяя давление газа в замкнутом неизменном объёме, принявшем температуру измеряемого тела.

Практически температуру тел, жидкостей, газов измеряют жидкостными или электрическими термометрами.

Наравне с кельвином допускается измерение температуры и их разности градусом Цельсия. Цельсий в точности равен кельвину, но за нуль принята температура тающего льда, а температура кипения при нормальном атмосферном давлении - за 100 ⁰С.

Температура тающего льда по шкале Кельвина равна 273,15 К.

Кандела (кд, cd) - единица силы света. Наиболее воспроизводимым оказался свет, излучаемый платиной при температуре ее затвердевания.

Кандела - (лат. candela - свеча) - сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м² (1,667 мм²) сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре затвердевания платиныt (2042 К) и давлении 103 325 Па.

Полный излучатель (или абсолютно черное тело) изготовлен в виде трубки длиной, примерно в 10 раз больше её диаметра. Трубка вставляется в тигель с расплавленной платиной. Тигель и трубка изготовляются из тугоплавкого вещества - оксида тория.

Моль (моль, mol) - единица количества вещества - элемента или химического соединения.

Моль - количество вещества, содержащего столько же структурных элементов (молекул, атомов, электронов, ионов и других частиц) или групп этих частиц, сколько атомов содержится в нуклиде ¹²С массой 0,012 кг.

Это значит, что в 1 моле, то есть в 12 г ¹²С, или в 32 г кислорода, или в 44 г углекислого газа содержится одно и тоже число атомов (или молекул), равное числу Авогадро: N_a = 6,02252·10²³.

Для измерения углов в СИ предусматриваются две дополнительные единицы.

Радиан (рад, rad) - для измерения плоских углов, - угол между двумя радиусами, опирающимся на дугу окружности, равную по длине ее радиусу.

Стерадиан (ср, sr) - для измерения телесных углов - равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса.

1.3 Производные единицы СИ

Из основных и дополнительных единиц СИ образуются производные. Например, единица измерения объема - м³, единица измерения скорости - м/с и др.

Некоторые производные единицы СИ имеют собственные названия, которые приведены в табл. 1.1.

Если единица измерения названа по имени какого-либо ученого, полное ее название пишется со строчной буквы, а сокращенное обозначение - с прописной, например, единицей измерения силы является ньютон (Н).

Таблица 1.1

Производные единицы СИ, имеющие собственное название

Физическая величина	Единица	Выражение производной единицы
	наименование	обозначение	через другие единицы СИ	через основные единицы СИ
Частота	герц	Гц, Hz	-	с-1
Сила	ньютон	H, N	-	м·кг·с-2
Давление	паскаль	Па, Pa	Н/м2	м-1·кг·с-2
Энергия, работа, количество теплоты	джоуль	Дж, J	Н·м	м2·кг·с-2
Мощность	ватт	Вт, W	Дж/с	м2·кг·с-3
Электрический заряд	кулон	Кл, С	-	с·А
Электрический потенциал, напряжение	вольт	В, V	Вт/А	м2·кг·с-3·А-1
Электрическая емкость	фарад	Ф, F	Кл/В	м2·кг·с-3·А2
Электрическое сопротивление	ом	Ом, ?	В/А	м2·кг·с-3·А-2
Электрическая проводимость	сименс	См, S	А/В	м-2·кг-1·с3·А2
Поток магнитной индукции	вебер	Вб, Wb	В·с	м2·кг·с-2·А-1
Магнитная индукция	тесла	Тс, Т	Вб/м2	кг·с-2·А-1
Индуктивность	генри	Гн, Н	Вб/А	м2·кг·с-2·А-2
Световой поток	люмен	лм, lm	-	кд·ср
Освещенность	люкс	лк, (lх)	лм/м2	м-2·кд·ср
Активность	беккерель	Бк, Bq	-	с-1
Поглощенная доза	грей	Гр, Gy	Дж/кг	м2·с-2

Иногда результаты измерений приходится выражать очень большими или очень малыми числами. Они одинаково неудобны для произношения и написания. Для более краткого и удобного выражения конечных результатов предусматривается использование десятичных кратных и дольных приставок.

Кратные Дольные

10¹ - дека (да) 10^-1 - деци (д)

10² - гекто (г) 10^-2 - санти (с)

10³ - кило (к) 10^-3 - милли (м)

10⁶ - мега (М) 10^-6 - микро (мк)

10⁹ - гига (Г) 10^-9 - нано (н)

10¹² - тера (Т) 10^-12 - пико (п)

10¹⁵ - пета (П) 10^-15 - фемто (ф)

10¹⁸ - экса (Э) 10^-18 атто (а)

2. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА

К показателям, характеризующим микроклимат в производственных помещениях, относятся температура воздуха, температура поверхностей, относительная влажность воздуха, скорость движения воздуха и интенсивность теплового облучения. Характеристики этих физических величин изучаются термодинамикой.

2.1 Основные понятия термодинамики

Термодинамика - наука о температуре, теплоте и превращениях теплоты и работы друг в друга.

В основе термодинамики лежит небольшое число основных законов.

Термодинамика устанавливает связь между самыми разнообразными свойствами вещества, позволяет на основании изучения одних, легко измеряемых величин, вычислять другие, важные и необходимые, но трудно измеримые или недоступные непосредственному измерению.

Термодинамика изучает состояние системы - некоторого определенного количества вещества. Обязательное условие: система должна быть конечной.

Состояние системы - это совокупность ее свойств. Изменилось состояние системы - изменились и значения ее свойств. Изменение свойств не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное (вода может получиться изо льда и из пара).

Изменение состояния системы называется процессом.

Термодинамика изучает процессы, в которых система не обменивается веществом с окружающей средой, но может обмениваться теплотой и работой. Такая система называется закрытой.

Среди множества процессов некоторые, наиболее простые, имеют особо важное значение для термодинамики.

Изотермические процессы протекают при постоянной температуре, например, таяние льда, превращение воды в пар, углекислого газа - в сухой лед. Почти все процессы в организме протекают при постоянной температуре.

Адиабатические процессы протекают без обмена теплом с окружающей средой.

Часто адиабатическим путем протекают очень быстрые процессы, когда система не успевает обменяться теплом с окружающей средой.

И при изотермических, и при адиабатических процессах система взаимодействует с окружающей средой. При изотермических процессах система, совершая работу или изменяя состояние, поглощает из окружающей среды теплоту - ровно столько теплоты, что температура внутри системы остается постоянной. При адиабатических процессах система взаимодействует с окружающим миром, совершая работу.

Важнейшими величинами, изучаемыми в термодинамике, являются количество вещества (m), его объем (V), давление (p) и температура (T). Любую из них можно рассчитать по уравнению состояния, если известны три остальные величины: F (m, v, p, T) = 0.

Состояние газа определяется только условиями в данный момент, но не зависит от начальных условий, что резко отличает газ от любых механических систем. Для газа в отличие от механических систем нельзя установить непосредственной связи между состояниями в разные моменты времени.

Свойства системы молекул не сводимы со свойствами отдельных молекул.

2.2 Уравнение состояния идеальных газов

Идеальным называют газ, молекулы которого представляют собой материальные точки: обладают массой, но не имеют объема и никак не взаимодействуют между собой.

Уравнение состояния идеальных газов имеет вид

, (2.1)

где p - давление газа, Па;

V - объем газа, м³;

m - масса газа, кг;

м - молярная масса газа, кг/моль;

R - универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль?К;

T - температура, К.

Уравнение Менделеева-Клапейрона хорошо описывает поведение одного моля любого газа при малых давлениях и высоких температурах. Этому замечательному уравнению подчиняются и воздух, которым мы дышим, и раскаленные газы в топках, и плазма внутри звезды.

2.3 Уравнение состояния реальных газов

В действительности нельзя пренебрегать ни собственными размерами молекул, ни их взаимным притяжением. Истинный свободный объем, в котором могут двигаться молекулы, будет меньше объема газа V, а давление, под которым находится газ, несколько больше внешнего давления, т. к. из-за межмолекулярного притяжения газ испытывает как бы дополнительное сжатие

,

где коэффициент а зависит от природы газа.

Поправка к давлению должна быть тем больше, чем ближе друг к другу находятся молекулы в газе, чем более он сжат, чем меньший объем занимает. Эта поправка (а/V²) обратно пропорциональна квадрату объема: чем он меньше, тем ближе друг к другу и тем больше притяжение, а кроме того самих молекул в единице объема больше.

Уравнение состояния реальных газов вывел Ван-дер-Ваальс:

. (2.2)

Величина b учитывает объем, занимаемый молекулами. Уравнение более точно и применимо в значительно более широких пределах при изменении давления и температуры. Для расчетов, связанных с определением параметров микроклимата, достаточным является использование уравнения Менделеева-Клапейрона.

2.4 Газовые законы

Газовые законы являются частными случаями уравнения состояния идеального газа. Если газ из состояния с параметрами p₁, V₁, T₁ в состояние с параметрами p₂, V₂, T₂ и один их параметров при этом остается постоянным, то справедливы следующие законы.

Закон Бойля-Мариотта. Давление некоторой массы газа при постоянной температуре (изотермический процесс) обратно пропорционально объему газа

, или

. (2.3)

Другим и более существенным выражением закона Бойля-Мариотта является формула

, (2.4)

где с - плотность газа, кг/м³.

Формулы могут быть применены также в том случае, если процесс изменения объема газа не был изотермическим, но изменения температуры были таковы, что и начале и в конце процесса температура данной массы газа была одна и та же.

Закон Шарля. Давление некоторой массы газа при нагревании на 1 ⁰С при неизменном объеме (изохорический процесс) увеличивается на 1/273 часть давления, которое эта масса газа имела при 0 ⁰С:

. (2.5)

Величину б называют температурным коэффициентом давления. Она имеет одно и тоже значение для всех газов б = (1/273) ⁰С^-1.

Закон Гей-Люссака. Объем некоторой массы газа при нагревании на 1⁰С при постоянном давлении (изобарический процесс) увеличивается на 1/273 часть объема, который эта масса газа имела при 0 ⁰С:

, (2.6)

где в - температурный коэффициент расширения. Коэффициент в численно совпадает с коэффициентом б.

Законы Шарля и Гей-Люссака можно выразить через термодинамическую температуру:

,

,

Делим одно на другое

,

. (2.7)

Аналогично

. (2.8)

При больших давлениях и низких температурах законы неприменимы.

Закон Дальтона. Давление, которое будет иметь любой из газов, составляющих смесь, если удалить остальные газы из объема, занимаемого смесью, называется парциальным (pars - частичный). Дальтон нашел, что давление смеси невзаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений:

р = р₁ + р₂ + …+ р_n. (2.9)

К сильно сжатым газам закон не применим.

2.5 Температура

Температура есть количественная мера энергии хаотического молекулярного движения в телах.

Ощущения тепла и прохлады, жары и холода присущи человеку и играют большую роль в его жизни. Однако возможности нашего непосредственного восприятия весьма ограничены. Для определения температуры тел в большом диапазоне ее изменения, а также для точного количественного суждения о ней необходимо прибегать не к непосредственному ощущению, а к приборам.

Латинское слово «температура» означало «смесь». Под температурой тела понимали смесь из материи тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово температура осталось.

Измерять температуру, подобно тому, как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются.

Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды ни влили в бочку, горячей воды при этом не получится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта.

Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому, как метром измеряют любую длину. Объем, длина, масса - примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура - пример интенсивных (качественных) свойств системы.

Рассмотрим две какие-либо системы, состоящие из большого числа молекул (газы, жидкости или твердые тела). Приведем их в соприкосновение таким образом, чтобы они химически не реагировали друг с другом, чтобы не происходило переноса вещества из одной системы в другую, чтобы одна система не могла расшириться за счет другой, и вообще, чтобы они не могли обмениваться механической энергией макроскопических движений. При этом остается возможным переход энергии микроскопических, хаотических движений молекул, составляющих эти системы. Другими словами, остается возможным обмен внутренней энергией соприкасающихся систем. Такой обмен может происходить либо при непосредственном соприкосновении, либо через стенку, отделяющую системы одну от другой.

Суммарную энергию, отданную таким путем одним телом другому, будем называть количеством переданной теплоты.

Соприкосновение тел, при котором возможна лишь передача тепла от одного тела к другому называется тепловым контактом этих тел.

При передаче тепла от одного тела к другому будет изменяться энергия хаотического теплового движения молекул в обоих телах, что приведет к изменению ряда физических характеристик этих систем, связанных с тепловым движением. Так для идеального газа, заключенного в сосуде постоянного объема, с ростом энергии молекулярного движения будет возрастать давление, а также и его температура.

Говорят, что две системы имеют равные температуры, если при тепловом контакте их состояния не меняются.

2.6 Измерение температуры. Абсолютный нуль температуры

С возрастанием энергии хаотического движения молекул возрастает и температура. Поскольку изменение энергии теплового движения молекул всегда приводит к изменению целого ряда других физических характеристик системы, то по численным значениям этих характеристик можно судить о температуре и устанавливать соответствующие шкалы.

При любом методе определения температуры на температурной шкале можно отметить некоторую точку, имеющую абсолютное значение. Эта точка отвечает температуре, при которой отсутствует хаотическое (тепловое) движение молекул, и носит название абсолютного нуля температуры. В случае идеального газа значению абсолютного нуля отвечает отсутствие кинетической энергии поступательного движения молекул () и отсутствие давления ().

Не следует думать, что при абсолютном нуле температуры прекращается всякое движение частиц вещества. Даже если все молекулы газа остановятся, то внутри них будут двигаться электроны по определенным орбитам вокруг ядер, определенным образом будут участвовать в движении протоны и нейтроны внутри ядер. Например, средняя кинетическая энергия свободных электронов в металле при абсолютном нуле в сотни раз превышает среднюю кинетическую энергию молекул газа при комнатной температуре.

Абсолютный нуль температуры означает не отсутствие движения, но такое состояние тела, при котором дальнейшее уменьшение интенсивности этого движения за счет отдачи его энергии окружающим телам невозможно.

Следовательно, при абсолютном нуле система находится в состоянии с наименьшей возможной энергией.

Триста лет назад флорентийские академики открыли, что в смеси воды и льда температура постоянна. Спустя 50 лет стеклодув Фаренгейт установил, что температура кипения воды остается постоянной, если давление не меняется. Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп, что и превратило его в термометр.

Первое время, чтобы измерять высоту столбика жидкости, расширяющейся при нагревании, делили расстояние между двумя точками - от точки плавления льда до точки кипения воды - на произвольное число частей. В 1742 г. Цельсий предложил делить расстояние между этими точками ровно на 100 частей. Он обозначил температуру плавления льда как сто градусов, а температуру кипения воды как нуль градусов. Вскоре эти значения поменяли местами и этой шкалой пользуются до сих пор.

Температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны соотношением:

; ,15. (2.10)

Температурная шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г, применялась в США. За нуль градусов своей шкалы Фаренгейт принял температуру смеси льда с нашатырем (хлористым аммонием), полагая, что это самая низкая температура на Земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96 ⁰F. Перевести температуру из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия можно по формуле

.

0 ⁰C = 32 ⁰F;

100 ⁰C = 212 ⁰F.

2.7 Атмосферное давление

Газы всегда полностью занимают объем, ограниченный непроницаемыми для газа стенками.

Стремясь расшириться, газ оказывает давление на стенки баллона, камеры или любые другие тела, с которыми он соприкасается.

Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на определенную площадь, к величине этой площади:

р = F/S. (2.11)

Самый важный для нас газ - воздух. Земля окружена атмосферой - слоем воздуха, представляющего собой смесь целого ряда газов. Мы не будем учитывать, что воздух имеет сложный состав: в интересующих нас механических явлениях это не играет роли.

Атмосфера (атмос - пар, воздух) удерживается вблизи земной поверхности силой притяжения Земли. Масса атмосферы примерно 5·10¹⁸ кг. Плотность воздуха при температуре 0 ⁰С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 1,293 кг/м³.

Давление воздуха вблизи поверхности Земли обусловлено его собственным весом; он сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. Давление воздуха вблизи поверхности Земли (точнее на уровне моря) примерно равно 10⁵ Па. Следовательно, на каждый квадратный метр поверхности земли воздух давит с силой 10⁵ Н. Поверхность Земли составляет примерно 5·10¹⁴ м². Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой 5·10¹⁹ Н. Если бы плотность воздуха на любой высоте была такая же, как вблизи поверхности Земли, то толщина атмосферы составила бы около 8 км. В действительности плотность быстро убывает с расстоянием от поверхности Земли, так что атмосфера простирается на сотни километров и не имеет четкой границы.

Атмосферное давление было измерено в опытах Торричелли и составляет 760 мм рт. ст. = 1, 013·10⁵ Па.

Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. Давление воздуха над уровнем моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Чем больше высота над уровнем моря, тем давление меньше. При небольших подъемах в среднем на каждые двенадцать метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст.

Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровнем моря сжат всем весом атмосферы Земли, а более высокие слои сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере, как и в любом другом газе, находящимся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу в верх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице.

Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другая, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат откладывают высоты h, 2h, 3h, 4h и т. д., а по оси абсцисс - давление р (рис. 2.1). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты h.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 2.1. Изменение атмосферного давления с высотой

Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты h, равный сgh. Но с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме давление будет убывать неравномерно: на малой высоте давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность с и тем медленнее падает давление.

Мы считали, что давление р во всем слое толщины h одно и то же, поэтому мы получили ступенчатую линию. Но убывание плотности происходит непрерывно, поэтому в действительности график имеет вид плавной линии. Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией. Для небольших объемов достаточно пользоваться маленьким участком графика. В этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости.

2.8 Насыщенный пар

Количество воды или какой-либо другой жидкости в открытом сосуде постепенно уменьшается. Происходит испарение жидкости. Одновременно с испарением происходит обратный процесс - переход части хаотически движущихся молекул пара в жидкость. Этот процесс называется конденсацией.

В особенно больших размерах происходят в природе и технике взаимные превращения водяного пара и воды.

Для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся. Когда поток воздуха над сосудом уносит образовавшиеся пары, жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость. Если пар совсем не удаляется, например, если закупорить пробкой бутылку с жидкостью, то испарение скоро прекратится.

При неизменной температуре система «жидкость - пар» придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго.

В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, она будет испаряться и плотность пара над жидкостью будет расти. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре, в конце концов, установится динамическое равновесие. Одновременно с процессом испарения будет происходить конденсация, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Это название подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.

При сжатии пара равновесие начинает нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличивается, и из газа в жидкость начинает переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Это продолжается до тех пор, пока вновь не установится равновесие и плотность, а значит, и концентрация молекул примет прежнее значение. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара не зависит от объема при постоянной температуре.

Так как давление пропорционально концентрации в соответствии с формулой p = nkT, то из независимости концентрации (или плотности) насыщенных паров от объема следует независимость давления насыщенного пара от занимаемого им объема.

Независимое от объема давление пара р_о, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара.

При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем уменьшается при неизменной плотности пара.

Принципиальной разницы между паром и газом нет. Слово «газ» обычно применяют к тем веществам, давление насыщенного пара которых при обычных температурах выше атмосферного (например, углекислый газ). Напротив, о паре говорят тогда, когда при комнатной температуре давление насыщенного пара меньше атмосферного и вещество более устойчиво в жидком состоянии, например, водяной пар.

Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре являются постоянными величинами, у разных жидкостей - разными.

Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, а его давление приближенно определяется формулой

.

С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры.

Однако эта зависимость р₀(Т), найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа. При нагревании жидкости с паром в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате давление пара растет не только вследствие увеличения температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Основные различия в поведении идеального газа и насыщенного пара в том, что при изменение температуры пара в закрытом сосуде (или при изменение объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит.

Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным, и его давление при постоянном объеме будет расти прямо пропорционально температуре.

2.9 Кипение

Проследим за процессом закипания воды. При размещении сосуда с холодной водой на горелке стенки его покроются пузырьками, в которых находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Наблюдая за пузырьками при неизменной температуре, мы видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давление изнутри и извне на его поверхность взаимно уравновешиваются. Так как внутри пузырька находится воздух, количество которого надо считать постоянным, то это равновесие является устойчивым.

При увеличении температуры пузырек постепенно расширяется настолько, что сумма давления воздуха и пара в нем остается равной внешнему давлению. Однако когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила воды заставит его оторваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше.

При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стенки небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек. Поднимаясь кверху, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Почему это происходит? Пузырек содержит пар и немного воздуха. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьшается. Это попеременное уменьшение и увеличение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода прогревается в достаточной мере. Тогда поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и лопаются на поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье» - вода закипела. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру около 100 ⁰С.

Очевидно, что при кипении давление паров, образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба воды. Таким образом, кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Температуру пара кипящей жидкости называют температурой кипения.

Температура кипения зависит от внешнего давления. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. При давлении равном 15 атмосфер температура кипения воды приблизительно равна 200 ⁰С. При давлении 300 мм рт. ст. - 70 ⁰С. Когда говорят о температуре кипения, не указывая давления, всегда имеют в виду нормальное давление (760 мм рт. ст.).

Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному.

2.10 Относительная влажность воздуха

Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение для процессов, происходящих в атмосфере. Оно оказывает так же большое влияние на жизнь растений и животных. Количество водяного пара в воздухе можно выразить при помощи следующих величин:

1) парциальное давление пара;

2) абсолютная влажность воздуха;

3) относительная влажность воздуха.

Абсолютная влажность воздуха - масса водяного пара в 1 м³ воздуха, выраженная в граммах.

Относительная влажность воздуха - отношение давления пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах

(2.12)

При понижении температуры воздуха при постоянной массе водяного пара относительная влажность воздуха ц увеличится, так как чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной пар к состоянию насыщения. Наконец, при какой-то определенной температуре относительная влажность становится равной 100 % и дальнейшее уменьшение температуры приводит к конденсации водяного пара. Появляется туман, запотевают окна, на траве оседают капельки росы.

Температура, при которой пар при заданном давлении становится насыщенным, называется точкой росы.

2.11 Тепловое (инфракрасное) излучение

Инфракрасные (ИК) лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 до 1000 мкм. Верхняя граница определяется чувствительностью глаза. Нижняя граница условна и простирается до субмиллиметровых и миллиметровых волн.

Весь диапазон ИК излучения делят на три диапазона: ближняя область (0,76-2,5 мкм), средняя область (2,5-50 мкм), дальняя. ИК излучение не воспринимается человеческим глазом, но ощущается кожей. Часто ИК излучение называют тепловым.

Наиболее распространенным источником ИК излучения техногенного происхождения является лампа накаливания. При температуре нити лампы накаливания 2300-2800 К максимум излучения приходится на длину волны примерно 1,2 мкм и около 95 % энергии излучения приходится на ИК-диапазон. К техногенным источникам относятся также газоразрядные лампы, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи различного назначения, электротехнические устройства с превращением доли электрической энергии в тепловую, ДВС, электродвигатели, ракетные двигатели и т. д.

Длина волны л_max, м, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности

(2.13)

где b = 0,002898 м·К - постоянная Вина; Т - термодинамическая температура источника.

Инфракрасные лучи с длиной волны до 1,5 мкм проникают внутрь организма, вызывают нагрев органов и тканей, при длительном воздействии могут вызвать тепловой удар. Длинны инфракрасные лучи (л > 1,5 мкм) задерживаются кожей и вызывают ожоги.

Нормируемой величиной для теплового излучения является его интесивность - величина энергии, проходящей через единицу площади в единицу времени, Вт/м².

2.12 Приборы для измерения параметров микроклимата

Для измерения температуры воздуха применяют термометры ртутные метеорологические ТМ-6 с абсолютной погрешностью ± 0,1 ⁰С. Данные приборы используют в составе приборов измерения относительной влажности воздуха на психрометрическом принципе.

В практике для измерения давления используют металлический барометр, называемый анероидом (с гр. - безжидкостный). Так барометр называют потому, что он не содержит ртути. Главная его часть - металлическая коробочка с гофрированной поверхностью. Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышку пружиной оттягивают вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине при помощи передаточного механизма прикреплена стрелка-указатель. Под ней укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра.

Для определения относительной влажности воздуха пользуются гигрометром и психрометром.

Волосяной гигрометр. Основная часть прибора - обезжиренный человеческий волос, обладающий способностью удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Волос навит на ролик и держится в натянутом состоянии грузиком. При изменении влажности меняется длина волоса, ролик вращается и движет стрелку.

Психрометр состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из термометров обернут куском чистого батиста, нижний край которого опущен в небольшой стеклянный стаканчик с дистиллированной водой. Вода смачивает батист и испаряется на шарике термометра, если водяной пар в воздухе не является насыщенным. Вследствие потери тепла на испарение шарик термометра охлаждается, и смоченный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Разница между показаниями термометр тем больше, чем больше отличается давление водяного пара, содержащегося в воздухе, от давления насыщенного пара. По показаниям сухого и смоченного термометра с помощью психрометрических таблиц находят давление водяного пара и относительную влажность.

...