Уравнение состояния идеального газа Менделеева-Клапейрона с выводом
Уравнение состояния идеального газа показывает корреляцию его основных макропараметров, а именно: объема V, давления P, а также температуры T.
ν — количество вещества [моль]
R – универсальная газовая постоянная, 8,31 [Дж/(моль · К)]
T – температура [K]
Данную формулу также называют уравнением Менделеева-Клапейрона для идеального газа в честь двух ученых впервые получившего (Бенуа Клапейрон (1799 – 1864)) и применившего (Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907)) его.
Вывод уравнения Менделеева-Клапейрона
Давление идеального газа зависит от концентрации частиц и температуры тела:
n — концентрация частиц [м -3 ]
k – константа Больцмана k = 1,38 · 10 -23 [Дж/К]
Т – абсолютная температура, в кельвинах [К]
Возьмем основное уравнение МКТ, выведенное через кинетическую энергию:
Подставим nkT вместо давления и выразим кинетическую энергию:
Концентрация частиц газа n равна:
N – число молекул газа в емкости объемом V [м 3 ]. N также можно представить как произведение количества вещества ν и числа Авогадро NA:
Подставим эти величины в уравнение давления идеального газа (p=nkT):
Произведение числа Авогадро NA и константы Больцмана k дает универсальную газовую постоянную R, которая равна 8,31 [Дж/(моль · К)]. Используя это, упростим уравнение давления и получим искомое уравнение состояния идеального газа:
Учитывая, что количество вещества ν также можно определить, если известны масса вещества m и его молярная масса M:
можно привести уравнение к следующему виду:
Частными случаями уравнения являются газовые законы, описывающие изопроцессы в идеальных газах, т.е. процессы, при которых один из макропараметров (T, P, V) в закрытой изолированной системе постоянный. Всего этих частных случаев 3.
Закон Бойля-Мариотта — изотермический процесс
Проходит при постоянной температуре: T= const.
P·V = const, то есть для конкретного вещества произведение давления на объем остается постоянным:
Закон Гей-Люссака — изобарный процесс
Проходит при постоянном давлении: P = const.
V/T = const, то есть для конкретного вещества отношение объема и температуры остается постоянным:
Закон Шарля — изобарный процесс
Проходит при постоянном объеме: V = const.
P/T = const, то есть для конкретного вещества отношение давления и температуры остается постоянным:
Понравилась статья, расскажите о ней друзьям:
Вывод уравнения менделеева клапейрона через основное уравнение мкт
Уравнение Менделеева-Клапейрона — уравнение состояния для идеального газа, отнесенное к 1 молю газа. В 1874 г. Д. И. Менделеев на основе уравнения Клапейрона объединив его с законом Авогадро, используя молярный объем Vm и отнеся его к 1 молю, вывел уравнение состояния для 1 моля идеального газа:
pV = RT , где R — универсальная газовая постоянная,
R = 8,31 Дж/(моль . К)
Уравнение Клапейрона-Менделеева показывает, что для данной массы газа возможно одновременно изменение трех параметров, характеризующих состояние идеального газа. Для произвольной массы газа М, молярная масса которого m: pV = (М/m) . RT. или pV = NАkT,
где NА — число Авогадро, k — постоянная Больцмана.
С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса газа и один из параметров — давление, объем или температура — остается постоянным, а изменяются только остальные два и получить теоретически газовые законы для этих условий изменения состояния газа.
Такие процессы называют изопроцессами. Законы, описывающие изопроцессы, были открыты задолго до теоретического вывода уравнения состояния идеального газа.
Изотермический процесс — процесс изменения состояния системы при постоянной температуре. Для данной массы газа произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется. Это закон Бойля — Мариотта.
Для того, чтобы температура газа оставалась в процессе неизменной, необходимо, чтобы газ мог обмениваться теплотой с внешней большой системой — термостатом. Роль термостата может играть внешняя среда (воздух атмосферы). Согласно закону Бойля-Мариотта, давление газа обратно пропорционально его объему: P1V1=P2V2=const. Графическая зависимость давления газа от объема изображается в виде кривой (гиперболы), которая носит название изотермы. Разным температурам соответствуют разные изотермы.
Изобарный процесс — процесс изменения состояния системы при постоянном давлении. Для газа данной массы отношение объема газа к его температуре остается постоянным, если давление газа не меняется. Это закон Гей-Люссака. Согласно закону Гей-Люссака, объем газа прямо пропорционален его температуре: V/T=const. Графически эта зависимость в координатах V-T изображается в виде прямой, выходящей из точки Т=0. Эту прямую называют изобарой. Разным давлениям соответствуют разные изобары. Закон Гей-Люссака не соблюдается в области низких температур, близких к температуре сжижения (конденсации) газов.
Изохорный процесс — процесс изменения состояния системы при постоянном объеме. Для данной массы газа отношение давления газа к его температуре остается постоянным, если объем газа не меняется. Этот газовый закон Шарля. Согласно закону Шарля, давление газа прямо пропорционально его температуре: P/T=const. Графически эта зависимость в координатах P-Т изображается в виде прямой, выходящей из точки Т=0. Эту прямую называют изохорой. Разным объемам соответствуют разные изохоры. Закон Шарля не соблюдается в области низких температур, близких и температуре сжижения (конденсации) газов.
Итак, из закона pV = (М/m) . RT выводятся следующие законы:
p = const => V/T = const — закон Гей — Люссака .
V= const => p/T = const — закон Шарля
Если идеальный газ является смесью нескольких газов, то согласно закону Дальтона, давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений входящих в нее газов. Парциальное давление — это такое давление, которое производил бы газ, если бы он один занимал весь объем, равный объему смеси.
Некоторых, возможно, интересует вопрос, каким образом удалось определить постоянную Авогадро NA = 6,02·10 23 ? Значение числа Авогадро было экспериментально установлено только в конце XIX – начале XX века. Опишем один из таких экспериментов.
В откачанный до глубокого вакуума сосуд объемом V = 30 мл поместили навеску элемента радия массой 0,5 г и выдержали там в течение одного года. Было известно, что за секунду 1 г радия испускает 3,7·10 10 альфа-частиц. Эти частицы представляют собой ядра гелия, которые тут же принимают электроны из стенок сосуда и превращаются в атомы гелия. За год давление в сосуде выросло до 7,95·10 -4 атм (при температуре 27 о С). Изменением массы радия за год можно пренебречь. Итак, чему равна NA?
Сначала найдем, сколько альфа-частиц (то есть атомов гелия) образовалось за один год. Обозначим это число как N атомов:
N = 3,7·10 10 · 0,5 г · 60 сек · 60 мин · 24 час · 365 дней = 5,83·10 17 атомов.
Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева PV = nRT и заметим, что число молей гелия n = N/NA. Отсюда:
NA = NRT = 5,83 . 10 17 . 0,0821 . 300 = 6,02 . 10 23
PV 7,95 . 10 -4 . 3 . 10 -2
В начале XX века этот способ определения постоянной Авогадро был самым точным. Но почему так долго (в течение года) длился эксперимент? Дело в том, что радий добывается очень трудно. При его малом количестве (0,5 г) радиоактивный распад этого элемента дает очень мало гелия. А чем меньше газа в замкнутом сосуде, тем меньшее он создаст давление и тем большей будет ошибка измерения. Понятно, что ощутимое количество гелия может образоваться из радия только за достаточно долгое время.
Изопроцессы, работа в термодинамике, первый закон термодинамики
Теория к заданию 8 из ЕГЭ по физике
Основное уравнение МКТ (давление газа)
Основное уравнение молекулярно-кинетической теории устанавливает связь между давлением идеального газа и средней кинетической энергией его молекул.
Вывод основного уравнения МКТ основывается на допущениях модели идеального газа и утверждении: давление газа является результатом ударов молекул о стенку сосуда.
Определим давление газа на стенку площадью $S$ сосуда $ABCD$.
Каждая молекула массой $m_0$, отскакивая от стенки после упругого соударения со стенкой, передает ей импульс $2m_<0>υ_x$, где $υ_x$ — проекция скорости молекулы $υ↖<→>$ на ось $О_х$, перпендикулярную стенке. Всего за одну секунду суммарный импульс, получаемый стенкой от всех молекул, равен $2m_<0>υ_
Сила эта зависит, таким образом, от среднего квадрата скорости $<υ_x^<2>>↖<->$.
Поскольку вследствие хаотичности движения все направления равноправны, то
С другой стороны, известно, что квадрат модуля любого вектора равен сумме квадратов его проекций на оси координат, поэтому:
Усредняя это выражение по всем молекулам и учитывая $υ^2=υ_x^<2>+υ_y^<2>+υ_z^<2>$, получим:
С учетом последней формулы $F↖<->=<1>/<3>m_<0>n<υ^2>↖<->$
Следовательно, давление на стенку сосуда равно:
Это основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Это уравнение — первое количественное соотношение, полученное в МКТ.
Уравнение $p==<1>/<3>m_<0>n<υ^2>↖<->$ позволяет получить связь между давлением и средней кинетической энергией молекул $
Давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.
Важно подчеркнуть, что здесь речь идет о средней кинетической энергии молекул газа. Это означает, что давление газа — величина, органически связанная с тем, что газ состоит из большого числа молекул. Нет смысла говорить о давлении, создаваемом несколькими молекулами. Давление газа — понятие, имеющее статистический характер (так называют понятия, имеющие смысл только для систем с очень большим числом частиц).
Абсолютная температура
Согласно основному уравнению МКТ, давление $р$ прямо пропорционально средней кинетической энергии $E↖<->$ поступательного движения молекул:
где $n$ — объемная концентрация молекул. Заменив в $p=<2>/<3>n
В состоянии теплового равновесия при постоянном объеме средняя кинетическая энергия данной массы газа должна иметь вполне определенное значение, как и температура. Согласно формуле $
Таким образом, величина $Θ=
Температура $Т$, определяемая равенством $Θ=kT$, называется абсолютной температурой.
Значения температуры, определенной по формуле $
Температура, как и давление, определяется средней кинетической энергией молекул идеального газа. Поэтому температура, как и давление, является статистической величиной (статистической называется величина, имеющая смысл только для систем, содержащих очень большое число частиц). Нельзя говорить о температуре одной или нескольких молекул.
Абсолютную шкалу температур ввел английский ученый У. Кельвин в 1850 г. Нулевая температура по абсолютной шкале (ее называют также шкалой Кельвина) соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия.
Единица абсолютной температуры является одной из семи основных единиц СИ и измеряется в кельвинах (обозначается буквой $К$).
Связь между температурами, измеренными по шкалам Цельсия $t$ и Кельвина $Т$, описывается формулой:
Абсолютный нуль равен $-273.15°$С. Как правило, при расчетах пользуются округленным значением абсолютного нуля ($-273°$С).
Коэффициент пропорциональности к в формуле $Θ=kT$ называется постоянной Больцмана в честь Л. Больцмана — одного из основателей молекулярно-кинетической теории газа. Этот коэффициент составляет $k=1.38^<-23>$ Дж/К.
Постоянная Больцмана связывает температуру $Θ$ в энергетических единицах с температурой $Т$ в кельвинах. Это одна из наиболее важных постоянных в молекулярно-кинетической теории.
Температура как мера кинетической энергии
Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории, записанного в форме $p=<2>/<3>
и определения абсолютной температуры согласно $
Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.
Из полученного результата однозначно следует, что абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.
Соотношение между температурой и кинетической энергией справедливо не только для разреженных газов (идеальных газов), но также для любых тел, подчиняющихся законам механики Ньютона. Оно справедливо и для жидкостей, и для твердых тел, атомы которых колеблются около положения равновесия.
Уравнение $р = nkТ$
Из формулы $p=<2>/<3>n
где $k$ — постоянная Больцмана.
Из формулы $p=nkT$ очевидно, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одинакова.
Отсюда следует известный закон Авогадро: в равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.
Средняя скорость теплового движения молекул может быть также выражена через абсолютную температуру, если в формуле $E↖<->=<3>/<2>kT$ заменить $E↖<->$ на $
Квадратный корень из этой величины называется средней квадратичной скоростью:
Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа)
Уравнение состояния идеального газа — это зависимость между параметрами идеального газа — давлением $р$, объемом $V$ и абсолютной температурой $Т$, определяющими его состояние:
где $В$ зависит от массы газа $m$ и его молекулярной массы $М$. В таком виде уравнения впервые получено в 1834 г. французским ученым Б. П. Э. Клапейроном и называется уравнением Клапейрона.
В 1874 г. Д. И. Менделеев вывел уравнение состояния для одного моля идеального газа: $pV=RT$, где $R$ — универсальная газовая постоянная. Если молярная масса газа $М$, то
Уравнение состояния в форме $pV=
Уравнение состояния $pV=
где $N_А$ — постоянная Авогадро, $N$ — число молекул в теле.
В результате получим:
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа
Поскольку молекулы идеального газа не взаимодействуют друг с другом, их потенциальная энергия считается равной нулю. Внутренняя энергия идеального газа определяется только кинетической энергией беспорядочного поступательного движения его молекул. Для ее вычисления нужно умножить среднюю кинетическую энергию одного атома $E↖<->=<3>/<2>kT$ на число атомов $N=
Учитывая, что $kN_A=R$, получим значение внутренней энергии идеального газа:
Внутренняя энергия идеального одноатомного газа прямо пропорциональна его температуре.
Если воспользоваться уравнением Клапейрона-Менделеева, то выражение для внутренней энергии идеального газа можно представить в виде:
Следует отметить, что, согласно выражению для средней кинетической энергии одного атома $(E↖<->=<3>/<2>kT)$ и в силу хаотичности движения, на каждое из трех возможных направлении движения или каждую степень свободы по оси $X,Y$ и $Z$ приходится одинаковая энергия $
Число степеней свободы — это число возможных независимых направлений движения молекулы.
Газ, каждая молекула которого состоит из двух атомов, называется двухатомным. Каждый атом может двигаться по трем направлениям, поэтому общее число возможных направлений движения — $6$. За счет связи между молекулами число степеней свободы уменьшается на одну, поэтому число степеней свободы для двухатомной молекулы равно пяти.
Средняя кинетическая энергия двухатомной молекулы равна $<5>/<2>kT$. Соответственно внутренняя энергия идеального двухатомного газа равна:
Формулы для внутренней энергии идеального газа можно обобщить:
где $i$ — число степеней свободы молекул газа ($i = 3$ для одноатомного и $i=5$ для двухатомного газа).
Для идеальных газов внутренняя энергия зависит только от одного макроскопического параметра — температуры и не зависит от объема, т. к. потенциальная энергия равна нулю (объем определяет среднее расстояние между молекулами).
Для реальных газов потенциальная энергия не равна нулю. Поэтому внутренняя энергия в термодинамике в общем случае однозначно определяется параметрами, характеризующими состояние этих тел: объемом ($V$) и температурой ($Т$).
Изопроцессы в газах
Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления ($р$), объема ($V$), температуры ($Т$).
В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам.
Газовыми законами называются количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.
Закон Бойля-Мариотта
Закон Бойля-Мариотта — один из основных газовых законов, он описывает изотермические процессы в газе.
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называется изотермическим.
Для данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.
$pV=const$ при $T=const$
Этот закон был экспериментально открыт английским ученым Р. Бойлем в 1662 г., в 1676 г. его сформулировал также французский ученый Э. Мариотт.
Закон строго выполняется только для идеальных газов. Для реальных газов он выполняется достаточно хорошо при небольших давлениях и высоких температурах. Так, при давлении $100$ атм. и температуре $0°$С отклонение измеренного значения $рV$ от расчетного составляет $7%$. Закон Бойля-Мариотта, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа.
Графики зависимости $p(V)$ при $T=const$ ($p=
Закон Шарля
Давление $p$ данной массы газа при постоянном объеме пропорционально температуре.
$p=constT$ при $T=const$
Закон был открыт французским физиком Ж. Шарлем в 1787 году.
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называется изохорным (от греч. hora — пространство).
Закон Шарля, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа:
Согласно $
/
В соответствии с $
/
Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема.
Закон Гей-Люссака
При постоянном давлении $р$ объем $V$ идеального газа меняется линейно с температурой.
где $V_0$ — начальный объем, $t$ — разность начальной и конечной температур. Коэффициент теплового расширения идеальных газов $α=(<1>/<273.15>)K^<-1>$ одинаков для всех газов.
Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называется изобарным (от греч. baros — вес, тяжесть).
Закон открыт французским ученым Ж. Гей-Люссаком в 1802 г. и независимо от него Дж. Дальтоном в 1801 г.
Закон Гей-Люссака, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа. Это становится очевидным, если в $V=V_0(1+αt)$ заменить $t$ абсолютной температурой $T=t+273.15$, а коэффициент расширения $α$ — его численным значением $<1>/<273.15>$:
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Согласно $
Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой.
Различным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре, согласно закону Бойля—Мариотта, уменьшается, поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению $р_2$, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению $р_1$.
В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке $Т=0$, но это не означает, что объем реального газа действительно обращается в нуль. При низких температурах все газы обращаются в жидкости, а к жидкостям уравнение состояния не применимо.
http://www.sites.google.com/site/opatpofizike/uravnenie-mendeleeva-klapejrona
http://examer.ru/ege_po_fizike/teoriya/izoprocessy