Номер 21.17, страница 74 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

§ 21. Давление газов. Глава 3. Давление твёрдых тел, жидкостей и газов - номер 21.17, страница 74.

21.17 [477] При изготовлении электрических ламп их баллоны наполняют инертным газом, давление которого значительно меньше атмосферного. Почему так делают?

Решение

При изготовлении электрических ламп накаливания их баллоны (колбы) наполняют инертным газом под давлением ниже атмосферного по двум основным причинам.

1. Назначение инертного газа. Основной элемент лампы накаливания — это вольфрамовая нить, которая раскаляется до очень высоких температур (порядка 2200-2700 °C). Если бы в колбе был вакуум, то при такой температуре атомы вольфрама интенсивно испарялись бы с поверхности нити. Это привело бы к двум негативным последствиям: нить быстро бы утончилась и перегорела, а осевшие на стекле атомы вольфрама затемнили бы колбу, снижая её светопропускание. Если бы колба была заполнена воздухом, то кислород мгновенно бы окислил (сжёг) раскаленную нить. Инертный газ (чаще всего аргон или смесь азота с аргоном) химически неактивен и не реагирует с вольфрамом. Наличие газа создает в колбе давление, которое препятствует испарению атомов вольфрама с нити, значительно продлевая срок службы лампы и позволяя повысить её рабочую температуру для увеличения яркости и эффективности.

2. Причина низкого давления. Давление газа в холодной лампе делают значительно меньше атмосферного из соображений безопасности. Во время работы лампы инертный газ внутри колбы сильно нагревается от раскаленной нити. Согласно закону Шарля для газа при постоянном объеме, его давление прямо пропорционально абсолютной температуре ($p \sim T$). Поскольку температура газа внутри работающей лампы значительно выше комнатной, давление газа также существенно возрастает. Если бы начальное давление газа в холодной лампе было равно атмосферному, то в рабочем состоянии давление внутри колбы стало бы намного выше внешнего атмосферного давления. Это создало бы большую нагрузку на стеклянные стенки колбы изнутри, что могло бы привести к её разрушению (взрыву). Устанавливая начальное давление газа ниже атмосферного, производители добиваются того, чтобы в рабочем, нагретом состоянии давление внутри лампы было приблизительно равно внешнему атмосферному давлению. Это минимизирует разницу давлений и механическое напряжение в стекле, обеспечивая прочность и безопасность лампы.

Ответ: Инертный газ используют для того, чтобы замедлить испарение раскаленной вольфрамовой нити и тем самым продлить срок службы лампы. Давление делают значительно ниже атмосферного, чтобы при нагреве лампы во время работы давление газа внутри не стало чрезмерно высоким, что могло бы привести к разрушению стеклянной колбы.