ПосФХпроцЧ1.АтмосфХОС05. Физикохимические процессы в атмосфере

• Название: Физикохимические процессы в атмосфере
• Анкор: ПосФХпроцЧ1.АтмосфХОС05.doc
• Дата: 04.05.2017
• Размер: 1.58 Mb.
• Имя файла: ПосФХпроцЧ1.АтмосфХОС05.doc
• Тип: Учебное пособие; #6905
• страница: 2 из 14

Примеры решения задач

Пример 1. Во сколько раз будет превышено значение макси­мально разовой ПДК для уксусной кислоты, равное 0,2 мг/м³, если на складе произошла авария (разлилась кислота) и устано­вилось динамическое равновесие между парами и жидкой уксусной кислотой? Парциальное давление паров уксусной кислоты принять равным 3 Па. Атмосферное давление равно 101,3 кПа, температура 25°С.

Решение. Для решения задачи найденную концентрацию уксусной кислоты в воздухе и ПДК_м.р. необходимо выразить в одних и тех же единицах измерения и определить их отношение.

Определим концентрацию уксусной кислоты в воздухе, сделав допущение о том, что пары уксусной кислоты являются идеальным газом. Поскольку известно, что уравнение состояния идеального газа применимо к смесям так же, как и к индивидуальным газам, то можно записать:

C = n/V = P/(RT),

где С – концентрация паров уксусной кислоты, моль/л;

n –ко­личество молей уксусной кислоты в объеме V;

Р–парциальное давление паров уксусной кислоты, кПа;

R – универсальная газо­вая постоянная, R = 8,12л-кПа/(моль ^. К);

Т – температура воз­духа, К;

C = 3  10^–3/(8,12  298) = 1,23  10^–6(моль/л).

Выразим полученное значение концентрации в мг/м³:

С^/(мг/м³) = С (моль/л) М  10³  10³,

где М – молярная масса, г/моль (для уксусной кислоты М= 60г/моль);

10³ – коэффициент перевода граммов в миллиграм­мы;

10³ – коэффициент перевода литров в кубические метры.

С^/ = 1,23  10^–6  60  10⁶ = 74,4 (мг/м³)

Определим отношение концентрации уксусной кислоты в воз­духе к ПДК_м.р.:

а = С^//ПДК_м.р. = 74,4/0,2=370

Ответ: концентрация паров уксусной кислоты превысит значение ПДК_м.р. в 370 раз.
Пример 2. Превышается ли и если да, то во сколько раз значение максимально разовой ПДК для аммиака, равное 0,2 мг/м³, при обнаружении его запаха, если порог обнаружения запаха для аммиака составляет 46,6 ррm? Атмосферное давление равно 100 кПа, температура 25°С.

Решение. Для ответа на вопрос необходимо привести концентра­цию, соответствующую порогу обнаружения запаха, и ПДК_.м.р. к одинаковым единицам измерения и найти их отношение.

Выразим концентрацию аммиака в мг/м³:

С^/ = С^//МТ₀Р/(V_mТР₀),

где С^/и С^// – концентрация аммиака, выраженная в мг/м³ и ррm соответственно;

М – молярная масса аммиака (17 г/моль);

V_m– объем, занимаемый одним молем газа при нормальных условиях (температура Т₀ = 273К, давление P₀= 101,3кПа), V_m= 22,4л;

Ти Р – температура (К) и давление воздуха (кПа) в рассматриваемых условиях;

С^/ = 46,6  17  273  100/(22,4  298  101,3) = 32,0(мг/м³)

Найдем отношение концентрации аммиака при обнаружении запаха и ПДК_м.р.:

а = С^//ПДК_м._р = 32,0/0,2 = 160.

Ответ: при обнаружении запаха аммиака его концентрация в воз­духе в 160 раз превысит значение ПДК_м.р..
Пример 3. Сколько молекул формальдегида присутствует в ка­ждом кубическом сантиметре воздуха при нормальных услови­ях, если его концентрация достигает значения ПДК_м..р.., равного 0,035 мг/м³?

Решение. Определим число молей формальдегида в кубическом ме­тре воздуха:

С = C^//(M  10³),

где Си С^/ – концентрация формальдегида в воздухе, выражен­ная в моль/м³ и мг/м³ соответственно;

М– молярная масса формальдегида (30 г/моль);

10³ – коэффициент перевода грам­мов в миллиграммы.

Число молей формальдегида в 1 м³ воздуха при концентра­ции, равной ПДК_м._р, составит:

С = 0,035/(30  10³) = 1,17  10^–6 (моль/м³)

Число молекул формальдегида в кубическом сантиметре воз­духа – N (см^–3) – можно определить по уравнению:

N = C  10^–6  N_A

где С – концентрация формальдегида в воздухе, моль/м³;

N_A – число Авогадро, мол./моль;

10^–6 – коэффициент перевода м³ в см³.

N = 1,17  10^–6  10^–6  6,02  10²³ = 7,0  10¹¹ (см^–3)

В размерности N (мол./см³) слово «молекула» («мол.») обычно опускается, и размерность записывается как см^–3.

Ответ: при концентрации формальдегида, равной ПДК_м.р., в ка­ждом кубическом сантиметре воздуха присутствует 7,0  10¹¹ мо­лекул СН₂О.

Пример 4. В восьмидесятых годах 20-го века среднегодовая кон­центрация диоксида углерода в атмосфере, приведенная к тем­пературе 273 К и давлению воздуха 101,3 кПа, достигла 340 млн^–1. Определите значения концентрации СО₂ в % (об.), см^–3, моль/л, мг/м³ и парциальное давление СО₂ в Па при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли.

Решение. Выразим концентрацию СО₂ %(об.) – С^///:

С^/// = С^//  10^–4,

где С^// – концентрация СО₂, выраженная в млн^–1, или ррm;

10^–4 – коэффициент перевода млн^–1 (или ррm) в %(об.);

С^/// = 342  10^–4% (об.)= 0,034% (об.).

При нормальных условиях (температура 0°С, давление – 101,3 кПа) в каждом кубическом сантиметре газа содержится 2,69  10¹⁹ молекул (эту величину часто называют числом Лошмидта). Это число получается при делении общего числа моле­кул в 1 моле любого газа (числа Авогадро) на объем V_м, занимае­мый этим количеством газа (мольный объем газа), выраженный в см³:

N₀ = N_A/V_M = 6,02  10²³/(22,4  10³) = 2,69  10¹⁹(cм^–3)

Поскольку мольный объем газа меняется в зависимости от температуры и давления газа, при температуре Ти атмосфер­ном давлении Рчисло молекул в кубическом сантиметре любого газа составит:

N_T = N₀T₀P/(TP₀),

где N_TиN₀– числа молекул в кубическом сантиметре любого газа при заданных и нормальных условиях соответственно;

Т₀, P₀ и T, Р– температура и давление при нормальных и заданных условиях соответственно.

При 15°С (288 К) и нормальном атмосферном давлении об­щее количество молекул идеального газа или смеси идеальных газов в одном кубическом сантиметре составит:

N₂₈₈ = 2,69  10¹⁹  273  101,3/(288  101,3) = 2,55  10¹⁹(см^–3)

Количество молекул диоксида углерода в кубическом санти­метре воздуха, (N_д.у) при условии, что воздух и диоксид углеро­да ведут себя как идеальные газы, можно определить, зная его объемную долю:

N_д.у. = N₂₈₈C*,

где С* — объемная доля диоксида углерода в воздухе;

N_д.у = 2,55  10¹⁹  3,4  10^–4 = 8,7  10¹⁵ (см^–3)

Определим парциальное давление диоксида углерода в воз­духе. Значения объемных концентраций примесей приводятся обычно в пересчете на сухой воздух; при определении парци­ального давления в реальных условиях следует учитывать пар­циальное давление паров воды, которые всегда присутствуют в атмосферном воздухе. Поэтому рекомендуется пользоваться следующим уравнением:

P = (P_возд. – P_воды)C^////100,

где Р– парциальное давление примеси, кПа;

Р_возд. – атмосфер­ное давление, кПа;

Р_воды – давление паров воды, кПа;

С^/// – концентрация примеси, % (об.);

100 – коэффициент перевода % (об.) в доли.

Однако, поскольку в условиях задачи отсутствуют данные о парциальном давлении паров воды в воздухе, проведем упро­щенный расчет:

P = P_возд. C^////100,

Р = 101,3  3,4  10^–2/100= 3,46  10^–2 (кПа) =35 (Па)

Количество молей диоксида углерода в литре воздуха опре­делим по уравнению (пример 1):

С_д..у. = P/(RT),

где С– концентрация диоксида углерода, моль/л;

С_д.у. = 3,46  10^–2/(8,12  288) = 1,5  10^–5 (моль/л)

Количество мг диоксида углерода в кубическом метре возду­ха составит:

C^/_д.у. = C^/_д.у.  10⁶

где М – молярная масса СО₂, г/моль;

С^/ = 1,48  10^–5  44  10⁶ = 650 (мг/м³)

Ответ: концентрация диоксида углерода в воздухе составит: 0,034% (об.); 8,7  10¹⁵см^–3; 1,5  10^–5 моль/л; 650мг/м³; парциальное давление диоксида углерода равно 35 Па.
Пример 5. При одновременном присутствии СО и О₂ во вдыха­емом воздухе в крови устанавливается равновесное отношение концентраций карбоксигемоглобина и оксигемоглобина, которое пропорционально отношению парциальных давлений газов:

[СОНb]/[0₂Нb] = КР_СО/Р_О2.

Коэффициент пропорциональности Кдля крови человека изменяется в пределах от 200 до 250. Содержание оксида угле­рода в сигаретном дыме составляет 400-450 млн^–1. Какое сред­нее содержание карбоксигемоглобина может наблюдаться в ор­ганизме курильщика, который дышит сигаретным дымом, если содержание кислорода в табачном дыме соответствует средним для приземного воздуха значениям? К каким последствиям это может привести, если известно, что при контакте с гемоглоби­ном крови человека оксид углерода образует карбоксигемоглобин СОНb, при этом снижается доля гемоглобина, связанного с кислородом (оксигемоглобина – О₂Нb), и нарушается кисло­родный обмен в организме? При концентрации карбоксигемогло­бина в крови, равной 2-5%, наблюдается поражение централь­ной нервной системы, выражающееся в нарушении ряда психо­моторных функций. При содержании СОНb в крови более 5% происходят функциональные изменения сердечной и легочной деятельности. В случае содержания СОНb в крови 10-80% на­блюдаются головные боли, спазмы, респираторные нарушения, может наступить смерть.

Решение. Парциальное давление оксида углерода в сигаретном ды­ме P_СО можно определить по уравнению:

P_CO = P_общ_CO,

где Р_oбщ – общее давление смеси (по условию задачи равно да­влению воздуха, при нормальных условиях – 101,3 кПа);

_CO – объемная доля оксида углерода в табачном дыме (примем сред­нее значение из интервала концентраций СО _CO = 425 ^. 10^–6);

Р_СО = 101,3 ^. 425 ^. 10^–6 = 4,30 ^. 10^–2 (кПа)

Парциальное давление кислорода в табачном дыме по усло­вию задачи равно парциальному давлению кислорода в приземном воздухе и без учета содержания паров воды в воздухе соста­вляет:

Р_кисл = 101,3 ^. 0,2095 = 21,2 (кПа)

Принимая значение коэффициента пропорциональности в уравнении, связывающем отношение концентраций карбоксиге­моглобина и оксигемоглобина в крови человека с отношением парциальных давлений газов, равным 225, определим среднее отношение карбоксигемоглобина и оксигемоглобина в крови че­ловека, вдыхающего табачный дым:

[СОНb]/[О₂Нb] = К ^. Pсо/Pо₂ = 225 ^. 4,30 ^. 10^–2/21,2 = 0,456

Примем процентное содержание гемоглобина, связанного с оксидом углерода (карбоксигемоглобина), в крови курильщика, вдыхающего табачный дым, за Х%. Тогда содержание оксигемо­глобина составит [O₂Нb] = (100 – Х)%,а их отношение можно выразить уравнением:

[СОНb]/[0₂Нb] = X/(100 – X) = 0,456

Решая это уравнение, найдем X = 31%. Таким образом, сред­нее содержание карбоксигемоглобина в крови курильщика, вды­хающего табачный дым, составит 31%.

Это значение находится в интервале от 10 до 80%, поэтому будут наблюдаться головные боли, спазмы, респираторные нарушения, может наступить смерть.

Ответ: среднее содержание карбоксигемоглобина в организме ку­рильщика, который дышит сигаретным дымом, составит 31%. У курильщика, вдыхающего табачный дым, будут наблюдаться головные боли, спазмы, респираторные нарушения, может на­ступить смерть.
Пример 6. Следует ли ожидать выпадения росы летним вече­ром, если температура снизилась с 30°С в 12 ч дня до 15°С? В полдень относительная влажность воздуха составляла  = 40%.

Решение. Для решения задачи необходимо воспользоваться спра­вочными данными о влажности воздуха. Равновесное парциаль­ное давление паров воды в воздухе равно (таблица 2 Прило­жения):

при 30°С Р_абс = 0,04187 атм;

при 15°С Р_абс = 0,01683 атм.

Определим парциальное давление паров воды в полдень:

Р(30°С) = Р(30°С)_абс ^. ;

Р(30°С) = 0,04187 ^. 40/100 = 0,01675 (атм)

Сравним полученное значение с равновесным парциальным давлением паров воды при 15°С:

Р(30°С) = 0,01675 атм < 0,01683 атм = Р(15°С)_абс

Следовательно, пары воды конденсироваться не будут, роса не образуется.

Ответ: выпадания росы не произойдет.
Пример 7. Масса атмосферы оценивается величиной 5 ^. 10¹⁵ т. Определите количество кислорода в атмосфере в кг в допуще­нии, что атмосфера состоит только из таких «квазипостоянных» компонентов, как азот, кислород и аргон, а их объемная концен­трация соответствует значениям, характерным для приземного слоя атмосферы (таблица 1).

Решение. Для решения задачи на первом этапе необходимо опре­делить среднюю молярную массу смеси газов, т. е. среднюю мо­лярную массу воздуха М_возд.:

М_возд. = М_азот ^. _азот + М_кисл ^. _кисл + М_арг ^. _арг

где М_азот, М_кисл и М_арг – молярная масса азота, кислорода и аргона соответственно;

_азот, _кис и _арг – объемные доли со­ответствующих компонентов смеси в воздухе (таблица 1)

М_возд. = 28,01 ^. 0,7810 + 32,00 ^. 0,2095 + 39 ^. 0,0095 = 28,96 (г/моль)

Зная общую массу атмосферы Q (г) и среднюю моляр­ную массу воздуха М_возд.(г/моль), определим общее количество условных молей воздуха в атмосфере N_возл.:

N_возд. = 5 ^. 10^{15 .} 10⁶/28,96 = 1,7 ^. 10²⁰ (моль),

где 10⁶ – коэффициент перевода тонн в граммы.

Поскольку мольные и объемные доли газов в смеси равны между собой, можно найти количество молей кислорода в атмо­сфере:

N_кисл = N_возд. ^. _кисл = 1,7 ^. 10^{20 .} 0,2095 = 3,6 ^. 10¹⁹ (моль)

Теперь легко найти массу кислорода в атмосфере:

Q_кисл = N_кисл ^. М_кисл =3,6 ^. 10^{19 .} 32 = 11,5 ^. 10²⁰ (г)  12 ^. 10¹⁷ (кг)

Ответ: масса кислорода в атмосфере равна 12 ^. 10¹⁷кг.
Пример 8. Во сколько раз количество молекул кислорода в куби­ческом сантиметре воздуха на высоте вершины Эльбрус (5621 м над уровнем моря) меньше, чем среднее значение у поверхности Земли (на уровне моря) при нормальном атмосферном давле­нии?

Решение. Количество молекул, содержащееся в одном кубическом сантиметре воздуха (n_в), можно определить по уравнению:

N_в = N_AT₀P₁/(T₁P₀V_m),

где N_A – число Авогадро;

V_m – молярный объем газа при стан­дартных условиях

(V_m= 22,4 ^. 10³ см³);

Т₀, Р₀ и Т₁, Р₁– значе­ния температуры (К) и давления при стандартных условиях и в рассматриваемом случае соответственно.

Давление у поверхности Земли (на уровне моря) при нор­мальных условиях равно давлению при стандартных условиях (Р₁ = P₀). Средняя температура воздуха у поверхности Земли (на уровне моря) равна 288 К (таблица 2). В этом случае коли­чество молекул газов в кубическом сантиметре воздуха составит:

n_в.3 = 6,02 ^. 10^{23 .} 273/ (288 ^. 22,4 ^. 10³) = 2,55 ^. 10¹⁹ (см^–3)

Количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воз­духа (n_к) можно определить, зная его среднее содержание в воз­духе:

n_к = n_вC*_к,

где C*_к– объемная доля кислорода в воздухе.

Количество молекул кислорода в кубическом сантиметре воз­духа у поверхности Земли (на уровне моря) при нормальном атмосферном давлении, средней температуре уповерхности и концентрации кислорода в приземном слое атмосферы, равной среднему значению, составит:

n_к.З = n_в.ЗС*_к

где С*_к – среднее значение концентрации кислорода в приземном слое воздуха (таблица 1.1), выраженное в объемных долях.

n_к.₃ = 2 ^. 55 ^. 10^{19 .} 0,2095 = 5,34 ^. 10¹⁸ (см^–3)

Содержание молекул воздуха в атмосфере убывает с увели­чением высоты над уровнем моря (уравнение 5):

,

где n_в.H – концентрация молекул в воздухе на высоте H, см^–3;

n_в.з – средняя концентрация молекул в воздухе на уровне моря, см^–3;

М – средняя молярная масса воздуха (М = 28,96 ^. 10^–3 кг/моль – пример 7);

g – ускорение силы тяжести (g= 9,8 м/с²);

Н – высота над уровнем моря, м;

R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль ^. К);

Тн – средняя температура воздуха на высоте Н, К.

Температуру на заданной высоте в тропосфере можно оце­нить по уравнению:

Т_Н = Т₃ + T ^. H ,

где Тни Tз – температуры на заданной высоте H и у поверх­ности Земли соответственно, К;

T – температурный градиент в стандартной тропосфере (T = – 6,5К/км – таблица 2).

Средняя температура атмосферы на высоте вершины Эль­брус составит:

Т_Н = 288 + (–6,5) ^. 5,621 = 252 (К)

Концентрация молекул воздуха на высоте вершины Эльбрус составит:

n_в.Н = 2,55 ^. 10¹⁹ ехр[–28,96 ^. 10^{-3 .} 9,8 ^. 5621/(8,31 ^. 252)] = 1,19 ^. 10¹⁹(см^–3)

Поскольку соотношение чисел молекул «квазипостоянных» компонентов воздуха в единице объема практически не меняется в атмосфере до высоты 100 км, можно определить концен­трацию молекул кислорода на высоте вершины Эльбрус (n_к._Н) по уравнению:

n_к.Н = N_в.НС*_к

n_к._Н = 1,19 ^. 10^{19 .} 0,2095 = 2,49 ^. 10¹⁸ (см^–3)

Отношение количества молекул кислорода в воздухе у по­верхности Земли (на уровне моря) и на вершине горы Эльбрус составит:

Х = n_к.з/n_к._H;

X = 5,34 ^. 10¹⁸/(2,49 ^. 10¹⁸) = 2,1.

Ответ: концентрация молекул кислорода в воздухе на вершине Эль­брус в 2,1 раза меньше, чем у поверхности Земли.
Пример 9. Определите среднее время пребывания паров воды в атмосфере, если по оценкам специалистов в атмосфере находит­ся 12900 км³ воды, а на поверхность суши и океана выпадает в виде атмосферных осадков в среднем 577 ^. 10¹² м³ воды в год.

Решение. Среднее время пребывания компонентов в атмосфере в условиях динамического равновесия можно определить из урав­нения (1):

 = A/Q

где  – время пребывания вещества в атмосфере, в единицах времени;

А – количество вещества в атмосфере, в единицах мас­сы;

Q– скорость поступления или вывода вещества из атмосфе­ры, в единицах массы на единицу времени.

Для условий задачи имеем:

 = 12900 ^. 10⁹/(57710¹²) = 2,23 ^. 10^–2 года = 8,2 дня,

где 10⁹ – коэффициент перевода км³ в м³.

Ответ: среднее время пребывания воды в атмосфере составляет 8,2 дня.
Пример 10. Количество метана, поступающего ежегодно с по­верхности Земли в атмосферу, составляет 550 млн т.

Среднее содержание метана в слое атмосферы, на который приходится 90% ее массы, составляет 1,7 млн^–1. Определите время пребы­вания метана в этом слое атмосферы, если принять, что в других частях атмосферы он отсутствует.

Решение. Оцененное нами ранее (пример 7) количество молей воздуха в атмосфере равно 1,7 ^. 10²⁰. В слое, составляющем 90% массы атмосферы, будет содержаться воздуха

N_возд. = 1,7 ^. 10^{20 .} 90/100 = 1,53 ^. 10²⁰ (моль)

Количество молей метана, содержащегося в этом слое атмо­сферы, составит:

N _мет =N _возд.С*_мет ,

где С*_мет – объемная доля метана в воздухе, по условию задачи.

С*_мет = 1,7млн^–1 = 1,7  10^–6;

N_мет = 1,53  10²⁰  1,7  10^-6 = 2,6  10¹⁴ (моль)

Масса метана в рассматриваемом слое атмосферы составит:

A_мет = N_метМ_мет

где М_мет – молярная масса метана (16 г/моль);

А_мет = 2,6  10¹⁴  16 = 41,6  10¹⁴ (г) = 41,6  10⁸ (т)

Время пребывания метана в атмосфере составит (При­мер.9):

 = А/Q

По условию задачи, Q = 500 млн т/год.

Тогда  = 41,6  10⁸/(55010⁶) = 7,6 (года)

Ответ: время пребывания метана в слое, содержащем 90% массы атмосферы, составляет 7,6 года.
Пример 11. Определите среднеквадратичную скорость движе­ния молекул азота в приземном слое воздуха.

Решение. Среднеквадратичную скорость движения молекул иде­ального газа можно определить по уравнению:

,

где – среднеквадратичная скорость молекул газа, м/с;

R – универсальная газовая постоянная [R = 8,314 Дж/(моль  К)];

Т – температура газа, К;

М – молярная масса газа, кг/моль.

Средняя температура воздуха у поверхности Земли соответ­ствует температуре нижней границы тропосферы. Для стан­дартной атмосферы эта температура равна 15°С (таблица 2). Для этого слоя воздуха, если принять, что он является иде­альным газом, среднеквадратичная скорость движения молекул азота (N₂) составит:

= [3  8,31  287/(28,0  10^–3)]¹/² =500 (м/с).

Ответ: среднеквадратичная скорость движения молекул азота в приземном слое воздуха при температуре 15°С составит 500 м/с.
Пример12. Среднеквадратичная скорость движения частиц на высоте 500 км соответствует температуре 1473 К. Определите, смогут ли покинуть атмосферу Земли атомы водорода, двигаю­щиеся на этой высоте со среднеквадратичной скоростью?

Решение. Скорость, при которой материальные тела могут поки­нуть атмосферу Земли (вторая космическая скорость), равна 11,2 км/с (таблица 1 Приложения). Для решения задачи не­обходимо определить среднеквадратичную скорость движения атомов водорода (на заданной высоте водород будет находить­ся преимущественно в атомарном состоянии) и сравнить ее со второй космической скоростью.

Среднеквадратичная скорость движения атомов водорода при температуре 1473 К составит (пример 11):

= [3 ^. 8,31 ^. 1473/1  10^–3)]^1/2 = 6,1 ^. 10³ (м/с) = 6,1 (км/с)

Атмосферу Земли могут покинуть атомы водорода, имею­щие скорость движения выше или равную второй космической скорости (11,2 км/с), что не выполняется в данном случае.

Ответ: Атомы водорода, двигающиеся на высоте 500 км со средне­квадратичной скоростью, не могут покинуть атмосферу Земли.
Пример 13. Распределение частиц по скорости броуновского движения в соответствии с уравнением Максвелла-Больцмана позволяет найти долю частиц, имеющих определенную скорость движения в заданном интервале скоростей:

N/N=4[m/(2kT)]^3/2 ^{2 .}  ^. ехр[–m²/(2kT)]

Требуется рассчитать долю атомов водорода, имеющих скорость движения 12 км/с и, следовательно, способных покинуть атмо­сферу Земли, среди атомов, имеющих скорость в интервале от 11 до 13 км/с, на высоте, соответствующей верхней границе стан­дартной термосферы.

Решение. Приведем уравнение, выражающее долю частиц, имею­щих определенную скорость движения в заданном интервале скоростей, к уравнению:

,

где – доля частиц, имеющих заданную скорость;

М –молярная масса газообразных частиц, кг/моль (поскольку на верхней границе термосферы весь водород находится в атомар­ном состоянии, М = 10^–3 кг/моль);

 – скорость движения ча­стиц (по условию задачи = 12000 м/с);

R –универсальная газовая постоянная [R = 8,314 Дж/моль ^. К)];

Т – температу­ра, К (на высоте верхней границы термосферы Т = 1200°С – таблица 2);

 – интервал скоростей движения, для кото­рого проводится оценка доли частиц, м/с (по условию задачи  = 13000 – 11000 = = 2000м/с).

Подставив необходимые значения в уравнение и выполнив вычисления, получим:

= 4  3,14  {10^-3/[2  3,14  8,31  (1200 + 273)}^3/2  12000²  2000 

 ехр{-10^-3  12000²/[2  8,31  (1200 + 273)]} = 0,015

Таким образом, 1,5% атомов водорода из имеющих скорость от 11 до 13 км/с могут иметь скорость более 12 км/с. Эти атомы способны преодолеть притяжение Земли и покинуть атмосферу нашей планеты.

Ответ: на высоте верхней границы термосферы доля атомов водо­рода, имеющих скорость 12 км/с, среди частиц со скоростью от 11 до 13 км/с равна 1,5%.
Пример 14. Оценить, сколько тонн водорода ежегодно поки­дает атмосферу Земли и уходит в космическое пространство, если на высоте 500 км интенсивность этого процесса равна 3  10⁸ атом/(см²  с).

Решение. Определим общее количество атомов водорода, покидаю­щих атмосферу Земли в секунду, N_с:

N_c = nS,

где n – интенсивность отрыва атомов водорода, n = 3 ^. 10⁸ атом/(см^{2 .} с);

S – площадь сферы, с которой отрыв атомов происхо­дит с заданной интенсивностью, см².

Площадь сферы можно определить по уравнению:

S = 4R²_cф

Радиус сферы R_cфравен сумме радиуса Земли (R_З = 6378 км – таблица 1 Приложения) и высоты слоя атмос­феры Н:

R_сф = R₃ + H = 6378 + 500=6878 (км).

Тогда

S = 4  3,14  (6878  10⁵)² = 5,94  10¹⁸ (см²)

N_С = 3  10⁸  5,94  10¹⁸ = 17,8  10²⁶ (атом/с)

Количество атомов водорода, покидающих атмосферу в те­чение года, составит:

N_Г = N_С  365  24  60  60  17,8  10²⁶ = 56,1  10³³ (атом/год)

Определим массу атомов водорода, покидающих атмосферу в течение года:

Q = N_гМ  10^–6/N_A,

где Q –масса атомов водорода, покидающих атмосферу, т/год;

М – молярная масса атомарного водорода, г/моль;

N_A – число Авогадро;

10^–6 – переводной коэффициент;

Q =56,1  10³³  1  10^-6/(6,02  10²³) = 9,3  10⁴ (т/год)

Ответ: масса водорода, ежегодно покидающего атмосферу Земли, оценивается величиной 9,3  10⁴ т.