Решение на момент правки #14639 от , автор emixter. Это не текущая версия.

Условие

5.6.21. Сухой воздух переносится слабым ветром через горный перевал высотой 1 км. Оцените, на сколько температура воздуха на перевале ниже, чем у подножья гор.

Решение

В процессе решения задачи нам потребуется использовать уравнение гидростатического равновесия столба воздуха. Выведем его.

Возьмём элементарный цилиндр воздуха с площадью основания , высотой . Масса сухого воздуха заключенного в данном цилиндре: . Эта масса испытывает силу давления нижних слоёв воздуха: , силу давления верхних слоёв воздуха: , а также силу тяжести: .

В стационарном случае сумма проекций сил на вертикальное направление () должна равняться нулю - это условие равновесия:


Упрощаем:


Это есть уравнение гидростатического равновесия.

Для восходящего сухого воздуха предполагаем, что процесс адиабатический (нет теплообмена с окружающей средой). Запишем первое начало термодинамики в дифференциальной форме:

Для идеального газа изменение внутренней энергии воздуха ( молей):

Работа воздуха при адиабатическом расширении:

Уравнение состояния идеального газа:

Продифференцируем его как сложную функцию:


Следовательно:

При адиабатическом процессе , подставим (3) и (4) в (2):

Используя связь между теплоёмкостями идеального газа: , получим:

Количество молей:

Объём:

Всё подставим в (5):


Поделим левую и правую часть на дифференциал :

Теперь воспользуемся уравнением гидростатического равновесия:


Проинтегрируем в пределах по температуре от температуры у подножия горного перевала до температуры на перевале и по высоте от 0 до высоты перевала :

перпод
подпер

Считаем воздух двухатомным газом с 5 степенями свободы (3 поступательных, 2 вращательных), тогда:

Окончательно:

Молярная масса воздуха кгмоль. Подставим числовые значения величин:

Ответ