Zadanie 6.6.1.3

 Zadanie 6.6.1.3

Prędkość dźwieku w gazie
Korzystając z równania gazu doskonałego \(pV = nRT\), gdzie \(\displaystyle{n =\frac{m}{\mu} }\) - liczba moli gazu i \(\mu\) jest masą jednego mola tego gazu, pokaż, że prędkość dźwięku w gazie doskonałym jest równa \(\displaystyle{v_d=\sqrt{ \frac{\kappa RT}{\mu}} }\), gdzie \(\displaystyle{\kappa= \frac{C_p}{C_v} }\).

 Wskazówka teoretyczna

 Teoria - równanie Clapeyrona
Równanie stanu gazu doskonałego opisuje związek pomiędzy temperaturą, ciśnieniem i objętością gazu doskonałego, a w sposób przybliżony opisuje gazy rzeczywiste. Prawo to można wyrazić wzorem

\(pV=nRT\)

gdzie \(p\) - ciśnienie, \(V\) - objętość, \(n\) - liczba moli gazu, \(T\) - temperatura, \(\displaystyle{R=8,314\,\mathrm{\frac{J}{mol\cdot K}} }\) - uniwersalna stała gazowa.

Informacja

Postaraj się samodzielnie rozwiązać zadanie. Możesz sprawdzić swój tok rozumowania, klikając w przyciski odsłaniające kolejne etapy proponowanego rozwiązania lub sprawdź od razu odpowiedź.

Analiza sytuacji

W celu wyprowadzenia wymaganej zależności skorzystamy ze wzoru Laplace'a

\(\displaystyle{c=\sqrt{\frac{\kappa\cdot p}{\rho}} }\)

Gęstość ośrodka wynosi

\(\displaystyle{\rho=\frac{\kappa\cdot p}{c^2} }\)

Rozprzestrzenianie się fali dźwiękowej w powietrzu, to nic innego jak propagowanie się w tym ośrodku lokalnych zgęszczeń i rozrzedzeń powietrza. Rozchodząca się fala powoduje lokalne zmiany ciśnienia \(p(x,t)\) powietrza, którego wartość wynosi 

\(p(r,t)=p_r+\Delta p(r,t)\)

gdzie \(p_r\) - ciśnienie równowagowe (nie zależy od miejsca i czasu ), a \(\Delta p(r,t)\) dodatkowe ciśnienie pochodzące od fali głosowej.

W celu wyznaczenia wartości prędkości fali głosowej w powietrzu, postąpimy podobnie jak w przypadku obliczania prędkości fali sprężystej rozchodzącej się w pręcie. Weźmy pod uwagę objętość \(\Delta V\) powietrza zajmowaną przez walec o powierzchni podstawy \(S\) i długości \(\Delta x\), którego lewa podstawa jest umieszczona w \(x\), a prawa podstawa w \(x+\Delta x\). Niechaj fala głosowa rozchodzi się wzdłuż osi walca. Równanie ruchu masy powietrza wewnątrz walca ma postać

\(\displaystyle{\rho\cdot S\cdot \Delta x \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=S\cdot \left [ p(x,t)-p(x+\Delta x,t) \right ] }\)

gdzie \(\rho_0\) jest średnią (równowagową) gęstością powietrza, zaś \(u(x,t)\) jest przesunięciem cząstek powietrza wypełniających walec znajdujący się wokół punktu \(x\) ośrodka.

Dla dostatecznie małych wartości \(\Delta x\) możemy napisać

\(\displaystyle{\rho\cdot S\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=-S\cdot \lim_{\Delta x\rightarrow 0}\left (\frac{p(x+\Delta x)-p(x)}{\Delta x} \right )=-S\frac{\partial p}{\partial x} }\)   (1)

Jak policzyć pochodną \(\displaystyle{\frac{\partial p}{\partial x} }\)? Musimy najpierw zdać sobie sprawę z tego, że prędkość fali głosowej jest na tyle duża, że docierając do określonego miejsca powietrza, nie powoduje ona wymiany ciepła między danym fragmentem ośrodka a przylegającymi do niego innymi częściami ośrodka. Dlatego mówimy, że propagacja dźwięku jest procesem adiabatycznym. Równanie adiabaty ma postać

\(p\cdot V^{\kappa}= const\)

gdzie \(V=S\cdot \Delta x\)

Policzmy różniczką zupełną równania adiabaty

\(\Delta p\cdot V^{\kappa}+\kappa\cdot V^{\kappa-1}\cdot p\cdot\Delta V=0 \)

skąd otrzymujemy  \[\Delta p\cdot V^{\kappa}=-\kappa\cdot V^{\kappa-1}\cdot p\cdot\Delta V \] \[\displaystyle{\Delta p=-p\kappa\Delta V\frac{V^{\kappa-1}}{V^{\kappa}}=-p\kappa\Delta V\cdot V^{-1}}\]  
\(\displaystyle{\Delta p=-p\kappa\frac{\Delta V}{V}}\)

Następnie zauważmy, że objętość równowagowa naszego fragmentu objętości wynosi \(V=S\cdot\Delta x\), natomiast \(\Delta V=S\cdot\Delta u\), a ponieważ fala powoduje zmianą liniowych rozmiarów objętości \(V\) o wartość \(\Delta u=u(x+\Delta x,t)-u(x,t)\). Zatem

\(\displaystyle{\Delta p=-\kappa\cdot p \frac{\Delta u}{\Delta x} }\)

i dla nieskończenie małych przyrostów możemy napisać

\(\displaystyle{\partial p=-\kappa\cdot p \frac{\partial u}{\partial x} }\)

Po podstawieniu ostatniego wyniku do (1) otrzymujemy

\(\displaystyle{\rho\cdot \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=-\frac{\partial p}{\partial x} }\)

\(\displaystyle{\frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=\frac{1}{\rho}\frac{\partial \left (p\kappa\frac{\partial u}{\partial x}\right )}{\partial x} }\)

\(\displaystyle{\frac{\partial^2 u}{\partial x^2}=\frac{\rho}{p\kappa} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=\frac{1}{c^2} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} }\)

Zatem prędkość fali głosowej w atmosferze jest dana wyrażeniem zwanym wzorem Laplace'a

\(\displaystyle{c=\sqrt{\frac{\kappa\cdot p}{\rho}} }\)

Rozwiązanie

Z równania gazu doskonałego otrzymujemy

\(pV=nRT\)

\(\displaystyle{p\frac{\cancel{m}}{\rho}=\frac{\cancel{m}}{\mu}RT }\)

\(\displaystyle{\frac{p}{\rho}=\frac{RT}{\mu} }\)

Podstawiając za gęstość wyrażenie otrzymane ze wzoru Laplace'a, mamy

\(\displaystyle{\frac{p v^2}{\kappa p}=\frac{RT}{\mu} }\)

\(\displaystyle{c^2=\frac{\kappa RT}{\mu} }\)

\(\displaystyle{c=\sqrt{\frac{\kappa RT}{\mu}} }\)