Практическое применение уравнения состояния идеального газа

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

Содержание:

Уравнение состояния идеального газа:

Уравнения Клапейрона и Менделеева — клапейрона; законы Шарля, Гей-Люссака, Бойля — Мариотта, Авогадро, Дальтона, — пожалуй, такого количества «именных» законов нет ни в одном разделе физики. за каждым из них — кропотливая работа в лабораториях, тщательные измерения, длительные аналитические размышления и точные расчеты. нам намного проще. Мы уже знаем основные положения теории, и «открыть» все вышеупомянутые законы нам не составит труда.

Уравнение состояния идеального газа

Давление газа полностью определяется его температурой и концентрацией молекул: p=nkT. Запишем данное уравнение в виде: pV = NkT. Если состав и масса газа известны, число молекул газа можно найти из соотношения

Произведение числа Авогадро на постоянную Больцмана k называют универсальной газовой постоянной (R): R=k 8,31 Дж/ (моль⋅К). Заменив в уравнении (*) k на R, получим уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева — Клапейрона):

Обратите внимание! Состояние данного газа некоторой массы однозначно определяется двумя его макроскопическими параметрами; третий параметр можно найти из уравнения Менделеева — Клапейрона.

Уравнение Клапейрона

С помощью уравнения Менделеева — Клапейрона можно установить связь между макроскопическими параметрами газа при его переходе из одного состояния в другое. Пусть газ, имеющий массу m и молярную массу М, переходит из состояния () в состояние () (рис. 30.1).

Для каждого состояния запишем уравнение Менделеева — Клапейрона: Разделив обе части первого уравнения на , а второго — на , получим: . Правые части этих уравнений равны; приравняв левые части, получим уравнение Клапейрона:

Для данного газа некоторой массы отношение произведения давления на объем к температуре газа является неизменным.

Изопроцессы

Процесс, при котором один из макроскопических параметров данного газа некоторой массы остается неизменным, называют изопроцессом. Поскольку состояние газа характеризуется тремя макроскопическими параметрами, возможных изопроцессов тоже три: происходящий при неизменной температуре; происходящий при неизменном давлении; происходящий при неизменном объеме. Рассмотрим их.

Какой процесс называют изотермическим. Закон Бойля — Мариотта

Пузырек воздуха, поднимаясь со дна глубокого водоема, может увеличиться в объеме в несколько раз, при этом давление внутри пузырька падает, поскольку вследствие дополнительного гидростатического давления воды () давление на глубине больше атмосферного. Температура же внутри пузырька практически не изменяется. В данном случае имеем дело с процессом изотермического расширения.

Рис. 30.2. Изотермическое сжатие газа. Если медленно опускать поршень, температура газа под поршнем будет оставаться неизменной и равной температуре окружающей среды. Давление газа при этом будет увеличиваться

Изотермический процесс — процесс изменения состояния данного газа некоторой массы, протекающий при неизменной температуре.

Пусть некий газ переходит из состояния () в состояние (T), то есть температура газа остается неизменной (рис. 30.2). Тогда согласно уравнению Клапейрона имеет место равенство p. После сокращения на T получим: .

Закон Бойля — Мариотта:

Для данного газа некоторой массы произведение давления газа на его объем остается постоянным, если температура газа не изменяется:

Графики изотермических процессов называют изотермами. Как следует из закона Бойля — Мариотта, при неизменной температуре давление газа данной массы обратно пропорционально его объему: . Эту зависимость в координатах p, V можно представить в виде гиперболы (рис. 30.3, а). Поскольку при изотермическом процессе температура газа не изменяется, в координатах p, T и V, T изотермы перпендикулярны оси температур (рис. 30.3, б, в).

Какой процесс называют изобарным. Закон Гей-Люссака

Изобарный процесс — процесс изменения состояния данного газа некоторой массы, протекающий при неизменном давлении.

Пусть некий газ переходит из состояния () в состояние (), то есть давление газа остается неизменным (рис. 30.4). Тогда имеет место равенство . После сокращения на p получим:

Рис. 30.4. Изобарное расширение газа. Если газ находится под тяжелым поршнем массой M и площадью S, который может перемещаться практически без трения, то при увеличении температуры объем газа будет увеличиваться, а давление газа будет оставаться неизменным и равным p

Закон Гей-Люссака

Для данного газа некоторой массы отношение объема газа к температуре остается постоянным, если давление газа не изменяется:

Графики изобарных процессов называют изобарами. Как следует из закона Гей-Люссака, при неизменном давлении объем газа данной массы прямо пропорционален его температуре: V = const⋅T. График данной зависимости — прямая, проходящая через начало координат (рис. 30.5, а). По графику видно, что с приближением к абсолютному нулю объем идеального газа должен уменьшиться до нуля. Понятно, что это невозможно, поскольку реальные газы при низких температурах превращаются в жидкости. В координатах p, V и p, T изобары перпендикулярны оси давления (рис. 30.5, б, в).

Изохорный процесс. Закон Шарля

Если газовый баллон сильно нагреется на солнце, давление в нем повысится настолько, что баллон может взорваться. В данном случае имеем дело с изохорным нагреванием.

Изохорный процесс — процесс изменения состояния данного газа некоторой массы, протекающий при неизменном объеме.

Пусть некий газ переходит из состояния () в состояние (), то есть объем газа не изменяется (рис. 30.6). В этом случае имеет место равенство . После сокращения на V получим:

Рис. 30.6. Изохорное нагревание газа. Если газ находится в цилиндре под закрепленным поршнем, то с увеличением температуры давление газа тоже будет увеличиваться. Опыт показывает, что в любой момент времени отношение давления газа к его температуре неизменно:

Закон Шарля

Для данного газа некоторой массы отношение давления газа к его температуре остается постоянным, если объем газа не изменяется:

Графики изохорных процессов называют изохорами. Из закона Шарля следует, что при неизменном объеме давление газа данной массы прямо пропорционально его температуре: p T = ⋅ const . График этой зависимости — прямая, проходящая через начало координат (рис. 30.7, а). В координатах p, V и V, T изохоры перпендикулярны оси объема (рис. 30.7, б, в).

Пример №1

В вертикальной цилиндрической емкости под легкоподвижным поршнем находится 2 моль гелия и 1 моль молекулярного водорода. Температуру смеси увеличили в 2 раза, и весь водород распался на атомы. Во сколько раз увеличился объем смеси газов?

Анализ физической проблемы. Смесь газов находится под легкоподвижным поршнем, поэтому давление смеси не изменяется:, но использовать закон Бойля — Мариотта нельзя, так как вследствие диссоциации (распада) молярная масса и число молей водорода увеличились в 2 раза:

Решение:

Воспользуемся уравнением состояния идеального газа: pV = νRT. Запишем это уравнение для состояний смеси газов до и после распада: Разделив уравнение (2) на уравнение (1) и учитывая, что получим: где Найдем значение искомой величины:

Ответ: примерно в 2,7 раза.

Пример №2

На рис. 1 представлен график изменения состояния идеального газа неизменной массы в координатах V, T. Представьте график данного процесса в координатах p, V и p, T.

Решение:

1. Выясним, какой изопроцесс соответствует каждому участку графика (рис. 1).

Зная законы, которым подчиняются эти изопроцессы, определим, как изменяются макроскопические параметры газа. Участок 1–2: изотермическое расширение; T = const, V ↑, следовательно, по закону Бойля — Мариотта p ↓. Участок 2–3: изохорное нагревание; V = const, T ↑, следовательно, по закону Шарля p ↑ . Участок 3–1: изобарное охлаждение; p = const , T ↓, следовательно, по закону Гей-Люссака V ↓ .

2. Учитывая, что точки 1 и 2 лежат на одной изотерме, точки 1 и 3 — на одной изобаре, а точки 2 и 3 на одной изохоре, и используя результаты анализа, построим график процесса в координатах p, V и p, T (рис. 2)

1. Из соотношения p=nkT можно получить ряд важных законов, большинство из которых установлены экспериментально.
2. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева — Клапейрона): — универсальная газовая постоянная.
3. Уравнение Клапейрона:
4. Законы, которым подчиняются изопроцессы, то есть процессы, при которых один из макроскопических параметров данного газа некоторой массы остается неизменным:

• Температура в физике
• Парообразование и конденсация
• Тепловое равновесие в физике
• Изопроцессы в физике
• Абсолютно упругие и неупругие столкновения тел
• Механизмы, работающие на основе правила моментов
• Идеальный газ в физике
• Уравнение МКТ идеального газа

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.

Правила применения уравнения состояния идеальных газов

Идеальный газ — что это за состояние

Идеальный газ — это газ, в котором пренебрегают потенциальным взаимодействием молекул газа между собой. Считается, что молекулы газа не сталкиваются друг с другом, а только со стенками сосуда.

Идеальными считают разреженные газы. Особенно близкими к идеальным считают гелий и водород.

Идеальный газ — это упрощенная математическая модель, широко применяемая для описания свойств и поведения реальных газов при атмосферном давлении и комнатной температуре.

Когда используют модель идеального газа, то предполагается:

1. Составляющие газ частицы не взаимодействуют друг с другом, то есть их размеры пренебрежимо малы, поэтому в объеме, занятом идеальным газом, нет взаимных столкновений частиц. Частицы идеального газа претерпевают столкновения только со стенками сосудов.
2. Молекулы газа движутся хаотически, а соударения между молекулами и их удары о стенки сосуда упругие, то есть не приводят к потере энергии в системе.

Таким образом, между частицами газа нет дальнодействующего взаимодействия, например, электростатического и гравитационного. Дополнительное условия упругих столкновений между молекулами и стенками сосуда в рамках молекулярно-кинетической теории приводит к термодинамике идеального газа.

Газ находится в термодинамическом равновесии со стенками сосуда и дополнительно отсутствуют макроскопические потоки вещества.

Тут следует уточнить, что градиенты термодинамических величин могут иметь место, как например, при включении внешнего поля, к примеру, гравитационного.

Таблица 1. Допущения, которые лежат в основе молекулярно-кинетической теории описания физической модели идеального газа.

Особенности, каким уравнением выражается

Соотношение, при котором определяется связь параметров состояния друг с другом, называется уравнением состояния данного тела. В самом простом случае равновесное состояние тела определяется значением следующих параметров:

Масса тела или системы, как правило, известна.

Существует эквивалентная макроскопическая формулировка идеального газа — это такой газ, который одновременно будет подчиняться закону Бойля-Мариотта и Гей-Люссака.

p V = c o n s t * T

Уравнение Менделеева-Клапейрона

Термические свойства классического и квазиклассического идеального газа описываются уравнением состояния идеального газа, которое называется уравнением Менделеева-Клапейрона.

p V = m M R T = n R T , г д е m — м а с с а г а з а , M — м о л я р н а я м а с с а г а з а , R = 8 , 314 Д ж / ( м о л ь * К ) — у н и в е р с а л ь н а я г а з о в а я п о с т о я н н а я , T — т е м п е р а т у р а ( К ) , n — к о л и ч е с т в о м о л е й г а з а .

Также уравнение Клапейрона-Менделеева можно записать в ином виде:

p V = N k T , где N — это количество молекул газа массой m, k = 1 , 38 * 10 — 23 Д ж / К — постоянная Больцмана, которая определяет «долю» газовой постоянной, приходящуюся на одну молекулу и определяется по формуле:

N = m N A M , где

N A = 6 . 02 * 10 23 м о л ь — 1 ; — это постоянная Авогадро.

Правила применения для решения задач

С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса и один трех параметров (давление, температура или объем) остаются неизменными.

Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном третьем параметре называют газовыми законами.

Изопроцессы — это термодинамические процессы, во время протекания которых количество вещества и один из параметров состояния: давление, объем, температура или энтропия — остаются неизменными.

В зависимости от того, какой параметр остается неизменным, различают разные процессы:

• изотермический процесс (T=const);
• изохорный процесс (V=const);
• изобарный процесс (p=const).

Изотермический процесс (T=const)

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим.

Для поддержания постоянной температуры газа необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой — термостатом. Им может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса.

Согласно уравнению Клапейрона-Менделеева, в любом состоянии с неизменной температурой произведение давления газа на объем одно и то же, то есть постоянно:

Этот закон был открыт экспериментально английским ученым Бойлем и несколько позднее французским ученым Мариоттом. Именно поэтому он называется законом Бойля-Мариотта.

Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а также для смеси газов (например, для воздуха).

Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре изображается графической кривой — изотермой. Изотерма для различных температур представлена в координатах pV на рис.1. и представляет собой гиперболу.

Рис.1. Изотерма в pV — координатах.

В изотермических условиях проводятся различные физико-химические процессы. Рассмотрим каким образом уравнение состояния идеального газа можно применить в задачах.

При уменьшении давления газа в 2,5 раза его объем увеличился на 12 л. Какой объем занимал газ в начальном состоянии, если температура на протяжении всего процесса оставалась постоянной?

По условию задачи температура в ходе всего процесса оставалась постоянной, откуда следует, что у нас изотермический процесс и мы можем воспользоваться для решения законом Бойля-Мариотта.

p 1 V 1 = p 2 V 2 , где p_1 — давление газа в начальном состоянии (до расширения), V_1 — объем газа в начальном состоянии, p 2 = p 1 2 . 5 — давление газа в конечном состоянии (после расширения), V 2 = V 1 + ∆ V — объем газа в конечном состоянии.

Откуда можем найти начальный объем:

p 1 V 1 = p 1 2 . 5 ( V 1 + ∆ V ) = p 1 2 . 5 V 1 + p 1 2 . 5 ∆ V

V 1 ( p 1 — p 1 2 . 5 ) = p 1 2 . 5 ∆ V

p 1 2 . 5 V 1 ( 2 . 5 — 1 ) = p 1 2 . 5 ∆ V

V 1 = ∆ V 1 , 5 = 8 л

Ответ: первоначальный объем газа был равен 8 л.

Объем пузырька воздуха при всплытии со дна озера на поверхность увеличился в 2 раза. Какова глубина озера?

Так как в условиях не говорится про изменение температуры в ходе данного процесса, то мы принимаем, что это изотермический процесс и можно использовать закон Бойля-Мариотта.

p 1 V 1 = p 2 V 2

Где p 1 = ρ g h + p 0 — давление воздуха внутри пузырька в начальном состоянии (до всплытия), а V 1 — объем газа в начальном состоянии.

p 2 = p 0 — давление воздуха внутри пузырька газа в конечном состоянии (на поверхности водоема).

V 2 = 2 V 1 — объем пузырька воздуха в конечном состоянии.

ρ — плотность воды, h — глубина водоема, p 0 — нормальное атмосферное давление, g = 9 , 8 м / с 2 — ускорение свободного падения.

( ρ g h + p 0 ) V 1 = 2 p 0 V 1

ρ g h + p 0 = 2 p 0

Откуда находим высоту, которая и является глубиной озера:

Берем давление при нормальных условиях в единицах системы СИ, то есть

p 0 = 10 5 П а , ρ ( H 2 O ) = 10 3 к г / м 3 , тогда

h = p 0 ρ g = 10 , 2 м .

Ответ: глубина озера 10,2 м.

Изохорный процесс (V=const)

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным.

Из уравнения состояния следует, что отношение давлений газа данной массы при постоянном объеме равно отношению его абсолютных температур:

p 1 p 2 = T 1 T 2

Газовый закон был установлен экспериментально в 1787 г. французским физиком Ж. Шарлем и носит название закона Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре.

Так, если в качестве одного из состояний газа выбрать состояние газа при нормальных условиях, тогда

p = p 0 T T 0 = p 0 γ T

Коэффициент γ называют температурным коэффициентом давления газа. Он одинаков для всех газов.

Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме графически изображается прямой, которая называется изохорой (Рис.2).

Рис.2 Изображение изохоры в pT-координатах.

Рассмотрим правила применения изохорного режима для решения задач.

Газ находится в баллоне при температуре 400 К. До какой температуры нужно нагреть газ, чтобы его давление увеличилось в 1,5 раза?

Так как нагревание газа по условиям данной задачи происходит при постоянном объеме, значит перед нами изохорный процесс.

Практическое занятие по теме «Уравнение состояния идеального газа»

Обращаем Ваше внимание, что в соответствии с Федеральным законом N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» в организациях, осуществляющих образовательную деятельность, организовывается обучение и воспитание обучающихся с ОВЗ как совместно с другими обучающимися, так и в отдельных классах или группах.

Практическое занятие по теме «Уравнение состояния идеального газа»

Тип урока: Повторительно — обобщающий

Технология: Технология критического мышления .

Приемы: Работа с графиками , решение расчётных и качественных задач .

проверка знаний обучающихся, повторение и систематизация учебного материала по теме; обобщение и закрепление основного материала;

проверка умений рассуждать, чётко и кратко выражать свои мысли;

развитие творческого сотрудничества преподавателя и обучающегося.

проверка знаний обучающихся, повторение и систематизация учебного материала по теме;

обобщение и закрепление основного материала;

проверка умений рассуждать, чётко и кратко выражать свои мысли.

развитие интереса к физике,

развитие логического мышления, усиление влияния учебного процесса на становление личности ученика; престижа учебной работы;

развитие навыков и умений классифицировать и обобщать учебный материал;

развитие навыков делать выводы по изученному материалу;

развитие грамотной устной речи;

нравственное воспитание (чувства товарищеской взаимовыручки, этики групповой работы );

развивать коммуникативные компетенции обучающихся, умения работать в группе.

Оборудование: презентация к уроку , тестовые задания, бумага для записей, ручки, карточки с дифференцированными заданиями, компьютер. мультимедийный проектор, ручки двух цветов

Знакомит с планом урока и организацией урока

«Мы с вами заканчиваем изучение темы «Молекулярная физика» и на этом уроке займемся повторением и обобщением данной темы. В течение урока вы будете выполнять разнообразные задания: тестирование, решение задач, викторина по физическим понятиям и формулам, а в конце урока подведем итоги ваших знаний. Оценивать вы будете сами себя, друг друга. Для этого у вас у всех есть листы самооценки. Задача ясна?

Выдает раздаточный материал

Просит всех участников заполнять лист самооценки в течение урока

Приветствуют преподавателя Знакомятся с листом самооценки)

Задание №1 Знание определений

Какие основные положения молекулярно-кинетической теории вы знаете?

Какие частицы называются молекулами?

В каких средах происходит диффузия?

Изменяется ли скорость движения молекул при повышении температуры вещества?

Каковы скорости движения молекул жидкости газа при одной и той же температуре?

6. Сколько молекул находится в одном моле вещества?

7. Какой тепловой процесс называется изохорным?

8. Какой тепловой процесс называется изобарным?

9 Какой тепловой процесс называется изотермическим?

10. Уравнение Менделеева-Клайперона-

Задание №2 Приведите в соответствие формулы .

Основное уравнение МКТ

Связь между давлением и средней кинетической энергией

Связь между средней кинетической энергией молекулы и температурой

Уравнение состояния идеального газа

Связь между абсолютной температурой и температурой по Цельсию

Связь между давлением газа, концентрацией и температурой

Задание № 3 в группе 4 человек

Найди ошибку и исправь ее.

Выдает индивидуальные задания для учащихся (по 3-4 человека)

1. Прочитать текст. Найти и исправить ошибки в тексте

Основные положения молекулярно-кинетической теории. Многочисленные исследования позволили сформулировать основные положения молекулярно-кинетической теории:

Все тела состоят из мельчайших частиц — атомов, электронов в состав ко торых входят еще более мелкие элементарные частицы ( про тоны, нейтроны, молекулы ).

Строение любого вещества дискретно (прерывисто).

Атомы и молекулы вещества всегда покоятся.

Между частицами любого вещества существуют силы взаимодей ствия — притяжения .

Природа сил — гравитационная.

Количество вещества — это отношение числа N молекул (атомов) в данном макроскопическом теле к числу N _A атомов в 0,12 кг углерода:

Количество вещества выражают в килограммах .

Моль — количество вещества, содержащего столько же молекул (атомов), сколько содержится атомов в 0,12 кг углерода.

Моль любого вещества содержит, по определению, одинаковое число молекул (атомов). Это число называют постоянной Больцмана :

Текст №3

В 1837 г. английский ботаник Р. Броун, изучая внут реннее строение растений с помощью микроскопа, обнаружил, что частички твердого вещества в жидкой среде совершают непрерывное хаотическое движение. Аналогичное движение можно наблюдать в микроскопе, если рассматривать дым, капельки жира в воде или частички твердого тела, взвешенные в жидкости или газе. Тепловое движение взвешенных в жидкости (газе) частичек получило название диффузия. Было установлено, что скорость частиц зависит от их размеров и температуры. Чем ниже температура и больше размеры , тем быстрее движутся частицы. Причиной диффузии является непрерывное хаотическое движение молекул жидкости или газа, которые, беспорядочно ударяясь со всех сторон о взвешенные в жидкости (газе) частички, приводят их в движение.

Броуновским движением называют явление самопроизвольного проникновения одного вещества в другое. Если пахучее вещество (эфир, керосин, нафталин, духи и т.д.) внести в помещение, то через некоторое время запах этого вещества распростра нится по всему помещению. Это свидетельствует о том, что молекулы одного вещества без воздействия внешних сил проникают в другое. Опытным путем было установлено, что скорость броуновского движения зависит от рода веществ и давления.