Проводим закалку стального листа. Мало кто знает, но не только состав сплава определяет его свойства, но и его структура. Для получения нужной структуры проводят термическую обработку. Закалка - один из основных ее видов. Вы скорее всего слышали о ней. Вот так примерно это выглядит

В связи с приходом зимы в последний ее месяц и похолоданием, устроим погодный опрос (с физическим уклоном, конечно)⬇️

Как видите, предсказания сбылись, осадков не было, потому что вероятность, действительно, была низкая из-за высокого давления. Кто может объяснить , почему?

Циклоны и антициклоны

Всем знакомые с детства явления, о которых говорили в прогнозе погоды по телевизору. Давайте разбираться, что это такое и как работает.

Если помните, то в прогнозе погоды циклоны обозначаются синими областями с буквой Н, а антициклоны – красными с буквой В. Циклон – это область низкого давления воздуха, поэтому обозначается буквой Н, а антициклон – область высокого давления (буква В).

Движения атмосферы нашей планеты подчиняются очень сложным законам и до сих пор до конца не изучены. Однако в их основе, конечно же, лежат основные законы термодинамики, аэродинамики, механики и многих других областей науки.

Основной закон, который здесь работает – закон Бернулли во всех его возможных интерпретациях. Применительно к нашей теме он звучит так: воздух движется из области с более высоким давлением в область с более низким давлением. Причем, чем выше разница (градиент) этих давлений, тем больше скорость потока.

Таким образом, если циклон – область с низким давлением в центре, воздушные массы будут двигаться из периферии к центру этой области. Напротив, антициклон – область с высоким давлением в центре, из которого воздух будет уходить на периферию.
Более нагретый землей снизу воздух, двигаясь к центру циклона будет еще и подниматься вверх, а более холодный в центре антициклона, двигаясь к его периферии будет опускаться вниз. Здесь, помимо закона Бернулли, работает еще и обычная термодинамика. Теплый воздух расширяется (увеличивает объем) и на него со стороны окружающих слоев действует сила Архимеда, выталкивающая его наверх.
Есть еще один момент. Из-за того, что при всех этих движениях атмосферы еще и вращается Земля, движение воздушных масс оказывается в неинерциальной (движущейся) системе отсчета, в которой возникают различные дополнительные силы. Об этом поговорим отдельно.

Далее⬇️⬇️⬇️

Подытожим.

В циклоне воздух по закону Бернулли двигается из периферии в центр с низким давлением, при этом поднимается вверх и закручивается вихрем, из-за Кориолисовой силы, возникающей, из-за вращения Земли. В антициклоне – наоборот, нисходящий поток воздуха из центра с высоким давлением двигается к периферии этой области.

Наглядный рисунок вам в помощь.
⬇️⬇️⬇️

Так причем тут осадки?⬆️⬆️

Для ответа на этот вопрос, нужно понять, как образуются облака.

Образование обычного кучевого облака связано с адиабатическим расширением воздуха и восходящими потоками. Как вы помните из первого закона термодинамики, адиабатический процесс происходит без участия теплоты. А это значит, что, расширяясь, газ уменьшает свою внутреннюю энергию, а значит и температуру. Влажный воздух расширяется и поднимается вверх с восходящими потоками. Наверху он охлаждается и пар в нем достигает насыщения (точки росы), а значит, конденсируется, превращаясь в капельки воды (см. Видео). Высота, на которой происходит конденсация одинакова, поэтому у облака видна чёткая нижняя граница. В таком облаке при определённых обстоятельствах может накопиться много энергии, которая разогреет окружающий воздух и заставит облако подняться выше, а под ним пар продолжит конденсироваться.

Таким образом облако растёт в высоту до огромных размеров, после чего возникает дождь, гроза и другие осадки.

Именно потому, что в циклоне воздух поднимается, двигаясь к центральной части с низким давлением, он остывает, конденсируется, образуя, по вышеописанному принципу тучи и осадки.

Напротив, антициклон приводит к опусканию воздуха при движении из центральной части с высоким давлением, который, в свою очередь по обратному процессу адиабатически сжимается и нагревается. Влажность при этом снижается, а температура воздуха растет, что приводит, обычно к ясной погоде, которую мы наблюдали в ближайшие дни. Аномально высокое давление, о котором я писал, как раз связано с антициклоном.

Фух. На этом цикл про погоду пока все. Пишите все ли понятно, жду вопросы в комментариях.

Нет, ещё не всё. Хочу логически закончить этот цикл тем, что я давно уже выкладывал, но мало кто помнит

Почему возникает гроза?

Гроза чаще возникает на суше летом. Разогретый у земли воздух поднимается вверх захватывая с собой попутно влажный воздух в атмосфере.

Пары воды из влажного воздуха наверху остывают из-за понижения температуры, образуя капли => образуются кучевые облака. Об этом мы уже узнали из предыдущих постов. Чем больше влаги, тем больше и плотнее образуются облака.

Поднимаясь выше капли воды сильно охлаждаются, превращаясь в льдинки, которые под своей тяжестью падают вниз.

Падая вниз, льдинки трутся о воздух, тем самым приобретают статический электрический заряд, заряжаются.
Нижняя часть облака заряжается отрицательно, верхняя - положительно, в таком положении, благодаря силе Кулона капли и льдинки удерживаются внутри тучи до тех пор, пока внизу не скопится слишком большой отрицательный заряд.

Верхние слои земли заряжены положительно => между нижней частью тучи и землёй возникает огромное электрическое поле и разность потенциалов (напряжение) может достигать 100000000 В.

При таком сильном электрическом поле возникает газовый разряд через воздух в виде большой искры - молнии. Так избыточный в туче отрицательный заряд сбрасывается на землю к положительному (сквозь воздух протекает ток). По сути, как мы уже знаем, это похоже на электрическую дугу при сварке, о которой можно почитать выше.

При прохождении молнии воздух возле неё резко сильно разогревается и расширяется рядом с ещё холодным воздухом => возникает ударная звуковая волна под названием гром.

Как видите, сложного ничего здесь нет. И интересно ведь, как устроена природа

Ну и традиционно: почему сначала видим молнию, а через некоторое время слышим гром?

Связь давления в шинах и температуры

Продолжаем объяснение викторины, которая была на прошлых
выходных. Так получилось, что целую неделю я подводил к первому вопросу и объяснял его. Надеюсь, что про осадки всем было понятно. Теперь поговорим о давлении в шинах.

С точки зрения молекул газа, температура пропорциональна их кинетической энергии, т.е. характеризует скорость их движения, а давление пропорционально числу ударов молекул о стенку сосуда, ведь при ударе о стенку возникает изменение импульса молекулы, а, значит, по второму закону Ньютона, сила давления. Про молекулярный смысл температуры, обычно, все знают, а про давление– нет. (Кстати, про второй закон Ньютона как изменение импульса во времени, знают тоже не все).

В колесе понижение температуры воздуха приводит к уменьшению скорости движения молекул, а, значит, снижает вероятность их удара о стенку шины и число ударов в единицу времени, тем самым, влечет за собой понижение давления. При этом, объем шины тоже снижается, т.к. она может деформироваться, особенно, когда на ней стоит автомобиль. Молекулярное объяснение этого явление именно такое.

Еще одно объяснение можно попробовать дать, не рассматривая движение отдельных молекул газа.

Мы знаем, что идеальный газ подчиняется уравнению состояния или уравнению Менделеева-Клапейрона. Сейчас будет много допущений, поскольку идеальный газ подразумевает отсутствие взаимодействия молекул между собой и ничего общего с реальными газами не имеет. Однако, в грубую оценку такое допущение провести позволяет. Итак, уравнение состояние идеального газа:

pV =νRT,

где p – давление газа, V – его объем, T – температура, ν – количество вещества, R – универсальная газовая постоянная.

Как выводится это уравнение я рассказываю на своих занятиях, для
жизни, тем кто не интересуется это не сильно нужно.

Получается, что если мы разделим это уравнение на T, то при неизменном количестве газа в объеме(в шине) он будет подчиняться упрощенному закону:

pV/T = const.

Т.е. связь между давлением, объемом и температурой – величина
постоянная.

Если оперировать уравнением состояния, то согласно pV/T = const, непонятно, что должно происходить с давлением при уменьшении температуры, чтобы значение этой дроби было неизменно, т.к. объем тоже меняется. Однако, можно снова допустить, что изменение объема происходит в меньшей степени, поскольку шина – достаточно прочная конструкция, имеющая внутри резины еще и металлический корд, и она сложно деформируется, но все же это нельзя назвать изохорным процессом (процессом при постоянном объеме). И если принять это допущение, то получается, что в этой дроби значительно уменьшается температура, незначительно уменьшается объем, что должно неизбежно приводить к уменьшению давления в шине, чтобы эта дробь оставалась постоянной.

Вот такие вот от меня два способа объяснить это явление получились. Пишите, какой из них вам проще понять. Мне кажется, тем, кто школьную физику не учит и не помнит, понятнее первый, про молекулы, а у кого сейчас насущная проблема ­в школе – это уравнение состояния, тем, может быть и зайдет второй способ.

Почему зимой в квартире становится сухо?

Здесь стоит знать несколько понятий.

Насыщенный пар. Я ученикам долго рассказываю о ситуации,
когда мы налили в стакан воду и накрыли крышкой. Но если коротко, насыщенный пар – это такое состояние водяного пара в воздухе, когда он находится на грани конденсации, и воздух не может удерживать больше влаги. Это такое пограничное состояние воздуха с паром, когда любое понижение температуры, увеличение давления
или добавление дополнительного количества влаги приведет к конденсации, образованию капель воды. Кстати, на улице, одно из явлений, характеризующееся насыщенным паром – это туман.

Плотность насыщенного пара зависит от температуры воздуха. Чем выше температура, тем выше плотность. Т.е. теплый воздух может удерживать больше водяного пара, чем холодный.

Относительная влажность – это отношение плотности водяного пара в конкретной ситуации к плотности насыщенного пара при данной температуре. Эта величина показывает, насколько воздух близок к насыщению водяным паром при конкретной температуре, и именно эту величину мы чувствуем. Она привязана к температуре и измеряется в процентах, где 100% означает, что пар в воздухе насыщенный, а 0 % – воздух абсолютно сухой и не содержит влаги.

Что же происходит зимой?

Зимой при низкой температуре воздух меньше может удерживать
влаги и плотность водяного пара в нем достаточно низкая. Однако, из-за того, что низкое значение имеет и плотность насыщенных паров (воздух достаточно быстро при низком содержании пара может стать влажным), относительная влажность, как отношение двух маленьких и близких между собой величин, может быть высокой. Она может достигать 70-80%.

Но когда это количество водяного пара из холодного воздуха попадает к нам в квартиру с более высокой температурой, воздух в квартире становится далек от насыщения. Ведь при повышении температуры повышается и плотность насыщенных паров, т.е. воздуху требуется больше водяного пара, чтобы стать насыщенным. Однако, количество водяного пара в квартире остается таким же, как и на улице (если мы искусственно его не повышаем). Таким образом, отношение той же плотности водяного пара к увеличенной плотности насыщенного пара приводит к понижению относительной влажности. При сильных морозах и хорошем отоплении в квартире может опускаться менее 20%. У меня дома был зафиксирован минимум 17%.

Например, на улице -20 ° и относительная влажность 80% (по прогнозу погоды). Это значит, что плотность насыщенных паров при этой температуре равна 0,88 г/м3, т.е. в условном кубическом метре воздуха должно находиться всего 0,88 г воды, чтобы образовался туман. Если влажность на улице 80 % (пока еще не туман), то в этом условном кубическом метре находится 0,88*0,8 = 0,704 г воды. Это количество воды содержится и в квартирном воздухе, где температура равна +20 ° С. Но при этой температуре плотность насыщенных паров почти в 20 раз больше и равна 17,3 г/м3. Тогда с теми же 0,704 г воды на кубический метр, пришедшими с улицы относительная влажность в квартире будет 0,704/17,3 = 4%. Почувствовали разницу? Ваша кожа бы тоже почувствовала.

Можете посчитать по аналогии для своей конкретной ситуации и сейчас самое время ощутить колоссальную разницу во влажности на улице и дома, пока морозы не закончились. Ну а для того, чтобы было комфортно в таких условиях, применяют увлажнители, которые
добавляют водяного пара в ваш комнатный воздух, тем самым увеличивая его плотность и относительную влажность.

Одинаковое количество водяного пара на улице и в доме в естественных условиях достигается негерметичностью нашей квартиры. Через щели в окнах, стенах, дверях воздух с улицы со своим количеством влаги проникает в квартиру. А когда мы открывает зимой окно, чтобы проветрить, влажность воздуха в квартире падает еще сильнее. Ведь мы с помощью конвекции еще больше загоняем воздух с улицы и выгоняем более влажный, который мы создали своим дыханием из квартиры.

Пишите, как справляетесь с сухостью воздуха в морозы,
знали ли о ее причине раньше и поняли ли теперь.