17 основное уравнение молекулярно кинетической теории идеальных газов

Уравнение МКТ идеального газа — основные понятия, формулы и определение с примерами

Содержание:

Фазовые состояния вещества:

В МКТ различают три фазовых (агрегатных) состояния вещества: жидкое, кристаллическое, газообразное (существует и четвертое состояние — плазма, и оно самое распространенное во Вселенной, ведь именно в состоянии плазмы находится вещество в звездах). Изменение фазового состояния называют фазовым переходом. Рассмотрим разные фазовые состояния вещества и выясним особенности движения и взаимодействия молекул вещества в разных состояниях.

Слово «газ» происходит от греческого слова chaos («хаос»). Молекулы газов расположены беспорядочно и на расстояниях, которые в десятки раз больше размеров самих молекул. На таких расстояниях молекулы практически не взаимодействуют друг с другом. Непрерывно сталкиваясь, молекулы газов разлетаются во все стороны, пока не встретят какое-либо препятствие, например стенки сосуда. Именно поэтому газы не имеют формы и занимают весь предоставленный объем. Большими расстояниями между молекулами объясняется и тот факт, что газы легко сжимаются.	Молекулы жидкости в целом расположены хаотично, однако в расположении ближайших молекул сохраняется определенный (ближний) порядок. Среднее расстояние между молекулами примерно равно размерам молекул, и межмолекулярные силы удерживают их около положения равновесия. Каждая молекула жидкости некоторое время (порядка	В веществе, находящемся в твердом кристаллическом состоянии, молекулы расположены в определенном порядке (образуют кристаллическую решетку) на расстояниях, примерно равных размерам самих молекул, поэтому силы межмолекулярного взаимодействия удерживают их около положения равновесия. В отличие от жидкостей, перескакивания молекул в твердых телах происходят очень редко — каждая молекула сохраняет положение равновесия достаточно долго, а ее движение сводится к колебаниям около этого положения. Поэтому твердые тела сохраняют и объем, и форму; как и жидкость, их очень трудно сжать.

Молекулы некоторых твердых тел в целом расположены беспорядочно. Такое состояние вещества называют аморфным. Вещества в аморфном состоянии напоминают очень вязкие жидкости. Так, если положить в сосуд кусочки смолы (аморфное вещество), со временем смола сольется и примет форму сосуда.

В отличие от кристаллических, аморфные вещества не имеют определенной температуры плавления, а переходят в жидкое состояние постепенно размягчаясь. Аморфное состояние веществ неустойчиво — постепенно происходит кристаллизация. Так, стекло имеет аморфную структуру, но со временем в нем образуются помутнения — кристаллики кварца. Сахар — это молекулярный кристалл. Если его расплавить и охладить, получим леденец — аморфное состояние сахара. Но через некоторое время в леденце начнут расти кристаллики сахара. Именно по этой причине засахаривается варенье.

• Молекулы, атомы, ионы находятся в непрерывном хаотическом движении. Именно движением частиц вещества можно объяснить такие явления, как броуновское движение (видимое в микроскоп хаотическое перемещение малых макрочастиц, взвешенных в жидкости или газе) и диффузия (взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга).
• Частицы вещества взаимодействуют друг с другом. Основная причина межмолекулярного взаимодействия — электрическое притяжение и отталкивание заряженных частиц, образующих атом. На расстояниях, которые больше размеров молекул, молекулы притягиваются друг к другу; на расстояниях, которые незначительно меньше размера молекул, — отталкиваются.
• Вещество может находиться в твердом, жидком и газообразном фазовых (агрегатных) состояниях в зависимости от того, как расположены, как двигаются и как взаимодействуют его частицы.

Основное уравнение МКТ идеального газа

Каждое макроскопическое тело состоит из огромного количества молекул. МКТ рассматривает строение и свойства макроскопических тел, а также процессы, происходящие в этих телах, с точки зрения их молекулярной структуры. Поведение макроскопических тел описывается рядом физических величин — микроскопическими и макроскопическими параметрами. Выясним, что это за параметры и как они связаны.

Микроскопические и макроскопические параметры

Рассмотрим систему, состоящую из очень большого количества атомов или молекул. Такой системой, например, может быть какой-либо газ. В любой момент времени каждая микрочастица газа обладает энергией, движется с некоторой скоростью, имеет массу.

Физические величины, характеризующие свойства и поведение отдельных микрочастиц вещества, называют микроскопическими параметрами.

Некоторые микроскопические параметры могут изменяться без внешнего воздействия на систему. Например, скорости движения молекул газа непрерывно изменяются в результате их столкновений друг с другом.

В то же время газ данной массы занимает некоторый объем, создает давление, имеет температуру. Значения этих физических величин определяются совокупностью множества молекул — например, мы не можем говорить о давлении, температуре или плотности одной молекулы.

Физические величины, характеризующие свойства и поведение макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами.

Макроскопические параметры могут изменяться только за счет внешних воздействий на систему или за счет теплообмена. Так, чтобы увеличить давление газа, газ нужно нагреть (передать определенное количество теплоты) или сжать (то есть совершить работу).

Какой газ называют идеальным

Количественные закономерности, связывающие макроскопические и микроскопические параметры тел, достаточно сложны. Рассмотрим самый простой случай — достаточно разреженные газы (такими, например, являются обычные газы при нормальных условиях). В разреженных газах расстояние между молекулами во много раз превышает размеры самих молекул, поэтому эти молекулы можно считать материальными точками, а их взаимодействием, за исключением моментов соударения, можно пренебречь. Кроме того, свойства разреженных газов практически не зависят от их молекулярного состава, а столкновения молекул такого газа приближаются к упругим. Таким образом, вместо реальных газов можно рассматривать их физическую модель — идеальный газ.

Идеальный газ — это физическая модель газа, молекулы которого принимают за материальные точки, не взаимодействующие друг с другом на расстоянии и упруго взаимодействующие в моменты столкновений.

Основное уравнение МКТ идеального газа

Начнем с такого микроскопического параметра, как скорость движения молекул. Обратим внимание на то, что бессмысленно рассматривать движение каждой отдельной молекулы и устанавливать скорость ее движения в данный момент времени, да это и невозможно: число молекул огромно, и за секунду каждая молекула изменяет скорость своего движения миллиарды раз. Поэтому физики используют средние значения скоростей молекул. Важнейшим в МКТ является понятие средний квадрат скорости:

где N — число молекул; — скорости отдельных молекул.

Квадратный корень из среднего квадрата скорости называют средней квадратичной скоростью движения молекул ():

Понятно, что средний квадрат скорости (а следовательно, и среднюю квадратичную скорость) невозможно определить с помощью прямых измерений. Однако эта величина связана с определенными макроскопическими (измеряемыми) параметрами газа, например с давлением.

Напомним, что давление газа обусловлено ударами его молекул (рис. 28.1). Находясь в непрерывном хаотическом движении, молекулы газа сталкиваются со стенками сосуда и поверхностью любого тела в газе, действуя на них с некоторой силой. Суммарная сила воздействия частиц на единицу площади поверхности и есть давление газа: . Нетрудно догадаться: чем быстрее движутся молекулы газа и чем больше масса этих молекул, тем сильнее будут их удары и тем большее давление создает газ.

Уравнение зависимости давления p идеального газа от массы его молекул и среднего квадрата скорости их движения — это основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа:

Здесь n — концентрация молекул газа — физическая величина, равная числу молекул в единице объема газа:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул идеального газа (кинетическая энергия поступательного движения, в среднем приходящаяся на одну молекулу) равна: . Поэтому основное уравнение МКТ идеального газа можно записать и так:

Пример решения задачи

Определите плотность идеального газа, находящегося под давлением Па, если средняя квадратичная скорость движения его молекул 500 м/с.

Решение:

В задаче нужно найти макроскопический параметр — плотность газа. Для решения задачи воспользуемся основным уравнением МКТ идеального газа:

Поскольку ρ = , а m=N (масса газа равна произведению числа молекул газа на массу одной молекулы), то концентрация молекул газа. Заменив в формуле (1) выражение n на ρ, получим:

Отсюда (Формулу (2) следует запомнить!)

Проверим единицу, найдем значение искомой величины:

Анализ результата. Плотности газов при нормальных условиях колеблются от 0,09 до 1,5 кг/м3, то есть получен реальный результат.

Ответ: ρ = 1, 2 кг/м3.

• Физические величины, характеризующие свойства и поведение отдельных микрочастиц вещества, называют микроскопическими параметрами. Физические величины, характеризующие свойства и поведение макроскопических тел без учета их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами.
• Идеальный газ — это физическая модель газа, молекулы которого принимают за материальные точки, не взаимодействующие друг с другом на расстоянии и упруго взаимодействующие в момент столкновения.
• Основное уравнение МКТ идеального газа связывает макроскопический параметр (давление) с микроскопическими параметрами (массой и средним квадратом скорости движения молекул):. Это уравнение можно записать в виде: .

• Уравнение состояния идеального газа
• Температура в физике
• Парообразование и конденсация
• Тепловое равновесие в физике
• Движение тел под воздействием нескольких сил
• Абсолютно упругие и неупругие столкновения тел
• Механизмы, работающие на основе правила моментов
• Идеальный газ в физике

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (Ерюткин Е.С.)

Этот видеоурок доступен по абонементу

У вас уже есть абонемент? Войти

Как уже было сказано ранее, начиная с этого урока, мы приступаем к изучению только газов. На прошлом уроке мы дали представление о способах количественного описания некой порции вещества. Сейчас же мы начнём описывать газ со стороны его качественных характеристик (микро- и макропараметров). Мы сформулируем понятие об идеальном газе, опишем его параметры и введём соотношение, связывающее эти параметры (основное уравнение МКТ).

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов

Разделы: Физика

Обучающие: познакомить с понятием идеального газа, вывести основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.

Развивающие:

• развивать способности анализировать увиденное, логическое мышление и творческое воображение учащихся;
• учить устанавливать причинно-следственные связи в изучаемых явлениях, формулировать эмпирические закономерности.

Воспитывающие: воспитывать ответственное отношение к учебе, положительное отношение к предмету физики.

Оборудование:

• воздушный насос, вакуумная тарелка, стеклянный колокол, воздушный шарик
• презентация (Приложение 1)
• карточки с тестом

I. Повторение пройденного. Беседа с учащимися с использованием презентации (Приложение 1)

1. Каковы основные положения молекулярно-кинетической теории строения вещества? (слайд 2)
2. Докажите, что все вещества состоят из молекул, между которыми есть промежутки? (слайд 3)
3. В чем суть броуновского движения? Доказательством каких положений является броуновское движение? (слайд 4)
4. Что такое диффузия? Доказательством каких положений является броуновское движение? (слайд 5)
5. Зависит ли скорость диффузии от температуры? (слайд 6)
6. О чем говорят опыты, показанные на слайде № 7
7. Каковы размеры молекул? (слайд 8)
8. Опишите словами модель взаимодействия между молекулами или атомами твердого тела. (слайд 9)
9. В каком агрегатном состоянии находится вещество, показанное на слайдах № 10,11,12? Укажите особенности расположения и движения молекул в различных агрегатных состояниях.

II. Изучение нового материала

Итак, мы знаем, что частицы в газах, в отличие от жидкостей и твердых тел, располагаются друг относительно друга на расстояниях, существенно превышающих их собственные размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше энергии межмолекулярного взаимодействия. Для выяснения наиболее общих свойств, присущих всем газам, используют упрощенную модель газа – идеальный газ.

Идеальный газ – это газ, у которого взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало (слайд 13) (записываем в тетрадь)

Основные отличия идеального газа от реального газа:

1. Частицы идеального газа – сферические тела очень малых размеров, практически материальные точки.
2. Между частицами отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия.
3. Соударения частиц являются абсолютно упругими.

Реальные разреженные газы действительно ведут себя подобно идеальному газу. Воспользуемся моделью идеального газа для объяснения происхождения давления газа.

Вспомним опыт из 7 класса (слайд 14)

Почему при откачивании воздуха из-под колокола воздушный шарик раздувается?

(Это значит, что газ внутри шарика оказывает давление, и когда внешнее давление при откачивании уменьшается, шар благодаря внутреннему давлению воздуха начинает раздуваться?

Что же такое давление газа? (слайд 15)

(Давление газа – это результат ударов молекул газа о стенки сосуда)

Сегодня мы с вами попытаемся ответить, от чего зависит давление газа? (Слайд 16)

Даю возможность учащимся сделать предположения, от чего может зависеть давление газа.

Выведем основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов (слайд 17)

Пусть в некотором объеме есть молекулы, масса каждой m_o, их число равно N, и движутся они со скоростью v (очевидно, что скорости у всех молекул различны, однако среднее значение модуля скорости v вполне определенное).

Учитель делает рисунок на доске, учащиеся в тетрадях

При каждом ударе молекулы действуют на стенку сосуда с некоторой силой. Складываясь друг с другом, силы ударов отдельных частиц образуют некоторую силу давления, постоянно действующую на стенку, а значит и давление.

От чего же зависит давление газа?

Во-первых, от массы: чем больше масса молекулы, тем сильнее удар, значит здесь прямая пропорциональная зависимость давления от массы

1) р m_o

Во-вторых, от скорости: чем быстрее движутся молекулы, тем сильнее будут удары, а значит и давление.

2) р v

В-третьих, есть еще одна зависимость от скорости: чем быстрее движутся молекулы, тем чаще удары, а значит и давление.

3) р v

В-четвертых, давление газа зависит от числа молекул в данном сосуде, а точнее от концентрации n.

Концентрация – физическая величина, равная числу молекул, содержащихся в единице объема (n = N/V)

(определение концентрации и единицы измерения записываем в тетрадь)

4) р n

В результате получаем: давление газа прямо пропорционально концентрации частиц, массе частицы и квадрату скорости частицы

Это и есть основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. В этом уравнении коэффициент 1/3 означает, что в трехмерном пространстве только треть молекул участвует в движении в определенном направлении (по оси х, например).

Мы получили основное уравнение МКТ идеального газа из общих соображений, но его можно строго вывести, опираясь на законы классической механики (§ 63 , Мякишев Г.Я.)

Это уравнение можно записать по-другому, если умножить и разделить правую часть уравнения на 2.

P = 2/3· n·Ек, где Ек = m_o·v 2 /2

Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул и средней кинетической энергии поступательного движения молекул

III. Закрепление изученного материала. Выполнение тестов учащимися.

Цель заданий: определить степень усвоения нового материала

1. Давление газа на стенку сосуда обусловлено

а) притяжением молекул друг к другу
б) столкновениями молекул со стенками сосудов
в) столкновением молекул газа между собой
г) проникновением молекул сквозь стенки сосуда

2. Как изменилось давление идеального газа, если в данном объеме скорость каждой молекулы газа увеличилась в 2 раза, а концентрация молекул осталась без изменения?

а) увеличилось в 2 раза
б) увеличилось в 4 раза
в) уменьшилось в 2 раза
г) уменьшилось в 4 раза

3. При повышении температуры идеального газа в запаянном сосуде его давление увеличивается. Это объясняется тем, что с ростом температуры.

а) увеличиваются размеры молекул газа
б) увеличивается энергия движения молекул газа
в) увеличивается потенциальная энергия молекул газа
г) увеличивается хаотичность движения молекул газа

4. Как изменится концентрация молекул газа при уменьшении объема сосуда в 2 раза?

а) увеличится в 2 раза
б) уменьшится в 2 раза
в) не изменится
г) уменьшится в 4 раза

5. При уменьшении температуры средняя кинетическая энергия молекул

а) увеличится
б) уменьшится
в) не изменится
г) иногда увеличится, иногда уменьшится

6. Какое утверждение неправильно?

При неизменных условиях

а) давление газа постоянно
б) скорости всех молекул одинаковы
в) внутренняя энергия газа постоянна
г) температура газа постоянна

7. В сосуде водород. Как изменится давление газа, если водород заменить кислородом так, что количество молекул и температура останутся неизменными?

а) увеличится в 4 раза
б) уменьшится в 16 раз
в) не изменится
г) увеличится в 16 раз

IV. Проверка выполненных тестов

Правильные ответы: 1 – Б, 2 – Б, 3 – Б, 4 – А, 5 – Б, 6 – Б , 7 – Г

V. Решение задачи

В ампуле содержится водород (Н 2 ). Определите давление газа, если его концентрация равна 2•10 22 м -3 , а средняя квадратичная скорость движения молекул водорода 500 м/с.

VI. Задание на дом.

§ 61, § 63, Физика 10 класс Г.Я. Мякишев, Б.Б Буховцев, записи в тетради, упр. 11 (задачи 8,9)

VII. Подведение итогов урока.

Литература:

1. Физика. 10 класс: учебник для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровни /Г.Я Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н. Сотский; – М.: Просвещение, 2009.
2. Физика. Тесты. 10-11 классы: учебно-методическое пособие / Н.К. Гладышева, И.И. Нурминский, А.И. Нурминский и др. – М.: Дрофа, 2005.

источники:

http://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-molekulyarno-kineticheskoy-teorii/osnovnoe-uravnenie-molekulyarno-kineticheskoy-teorii-2

http://urok.1sept.ru/articles/612892