The solution at revision #20801 of , by Valter. This is not the current version.

Условие

5.3.11.
а. Температура воздуха земной атмосферы линейно увеличивается с высотой , . При этом относительное изменение температуры остается много меньше единицы. Длина свободного пробега молекул воздуха , масса каждой молекулы , число молекул в единице объема воздуха . Оцените плотность теплового потока на Землю. Изменится ли плотность этого потока, если число молекул в единице объема воздуха увеличится?
б. Во сколько раз теплопроводность водорода больше теплопроводности воздуха? Радиус молекул водорода нм, радиус молекул азота и кислорода нм. Температура газов одинакова.

Решение

а. Плотность теплового потока

Тепловой поток возникает за счет того, что молекулы переносят кинетическую энергию из более нагретых слоев в менее нагретые.
Оценим среднюю тепловую скорость молекул вблизи поверхности Земли:

где — постоянная Больцмана. Поскольку , мы можем считать эту скорость характерной для всего рассматриваемого слоя.

В единицу времени через единичную площадку пролетает число молекул, пропорциональное . Эти молекулы приносят энергию из слоя, находящегося на расстоянии длины свободного пробега . Разность температур между слоями, обменивающимися молекулами:

Разница энергий, которую переносит одна молекула:

Тогда плотность теплового потока оценивается как произведение потока частиц на переносимую разницу энергий:

Зависимость от концентрации: Известно, что длина свободного пробега обратно пропорциональна концентрации молекул (). Следовательно, произведение остается постоянным.
Вывод: при увеличении числа молекул в единице объема плотность теплового потока не изменится.

б. Сравнение теплопроводностей

Коэффициент теплопроводности газа определяется формулой кинетической теории:

где — теплоемкость одной молекулы. Так как водород () и воздух () являются двухатомными газами, теплоемкость одной молекулы у них одинакова ().
Учитывая, что (где — радиус молекулы), концентрация сокращается:

Тепловая скорость обратно пропорциональна корню из молярной массы (). Итоговая зависимость:

Найдем отношение теплопроводностей водорода и воздуха. Молярная масса водорода г/моль, молярная масса воздуха воздух г/моль:
воздухвоздухвоздух
Подставляем численные значения:
воздух
Теплопроводность водорода больше примерно в раза.

Ответ

а. . Не изменится.
б. Примерно в раза.