Інформація про новину
  • Переглядів: 245
  • Дата: 1-12-2020, 01:52
1-12-2020, 01:52

30. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы

Категорія: Учебники » Физика





Попередня сторінка:  29. Температура. Температурная шкала Ке...
Наступна сторінка:   31. Парообразование и конденсация. Насы...

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:

Запишем данное уравнение в виде:

Если

состав и масса газа известны, число молекул газа можно найти из соотно

шения

После подстановки получим:

Произведение числа Авогадро NA на постоянную Больцмана k называют универсальной газовой постоянной (.R):

Заменив в уравнении (*) NAk на R, получим уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева — Клапейрона*):

Названо в честь русского химика и физика Дмитрия Ивановича Менделеева (1834-1907) и французского физика Бенуа Поля Эмиля Клапейрона (1799-1864).

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 т и молярную массу М, переходит из состояния (р±, 7\)

в состояние (р2, V2, Т2 ) (рис. 30.1).

Для каждого состояния запишем урав

нение Менделеева — Клапейрона:

Разделив обе

части первого уравнения на 7\, а второго — на Т2, 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.

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

Пусть некий газ переходит из состояния (рг, V-^, Т) в состояние (р2, V2, Т), то есть температура газа остается неизменной (рис. 30.2). Тогда

согласно уравнению Клапейрона имеет место равенство

После

сокращения на Т получим:

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

Закон Бойля — Мариотта*:

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

Этот закон независимо друг от друга открыли ирландский физик и химик Роберт Бойль (1627-1691) в 1662 г. и французский физик Эдм Мариотт (1620-1684) в 1676 г.

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 р, V можно представить в виде гиперболы (рис. 30.3, а). Поскольку при изотермическом процессе температура газа не изменяется, в координатах р, Т и V, Т 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 (р, Т{)

в состояние (р, V2, Т2), то есть давление газа остается неизменным (рис. 30.4). Тогда имеет место равенство

После сокращения на р получим:

Рис. 30.4. Изобарное расширение газа. Если газ находится под тяжелым поршнем массой М 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

Закон Гей-Люссака*:

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

Данный закон экспериментально установил в 1802 г. французский физик Жозеф Луи Гей-Люссак (1778-1850).

Графики изобарных процессов называют изобарами. Как следует из закона Гей-Люссака, при неизменном давлении объем газа данной массы прямо пропорционален его температуре: V = const · Т. 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 р, V и р, Т 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.

Существует ли процесс «изохорного расширения»?

Пусть некий газ переходит из состояния (рг, V, 7\) в состояние (р2, V, Т2), 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:

Данный закон экспериментально установил в 1787 г. французский ученый Александр Сезар Шарль (1746-1823).

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

Учимся решать задачи

Задача 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: Ρι = р2, но использовать закон Бойля — Ма-риотта нельзя, так как вследствие диссоциации (распада) молярная масса и число молей водорода увеличились в 2 раза:

Решение. Воспользуемся уравнением состояния идеального газа:

Запи

шем это уравнение для состояний смеси газов до и после распада:

Разделив уравнение (2) на уравнение (1) и учитывая, что рг - р2

получим:

Задача 2. На рис. 1 представлен график изменения состояния идеального газа неизменной массы в координатах V, Т. Представьте график данного процесса в координатах р, V и р, Т.

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;

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 р, V и р, Т (рис. 2).

Подводим итоги

Из соотношения

можно получить ряд важных законов, боль

шинство из которых установлены экспериментально.

♦ Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева —

Клапейрона):

универсальная газовая посто

янная.

Уравнение Клапейрона:

Законы, которым подчиняются изопроцессы, то есть процессы, при которых один из макроскопических параметров данного газа некоторой массы остается неизменным:

Контрольные вопросы

1. Какие макроскопические параметры связывает уравнение состояния идеального газа? 2. Запишите уравнение Клапейрона. 3. Что такое изопроцесс?

4. Приведите определения известных вам изопроцессов. Сформулируйте законы, которым они подчиняются. Опишите опыты, с помощью которых можно установить эти законы.

Упражнение № 30

Как изменится давление газа, если его температуру увеличить в 2 раза, а объем уменьшить в 4 раза?

Определите глубину озера, если объем воздушного пузырька за время подъема со дна озера на его поверхность увеличивается в 3 раза. Атмосферное давление считайте нормальным, изменением температуры воздуха в пузырьке пренебрегите.

Перед поездкой водитель накачал шины автомобиля до давления 2 атм. Во время поездки температура воздуха в шинах увеличилась от 17 до 37 °С. Каким стало давление в шинах в конце поездки?

Изобразите процессы, представленные на графиках изменения состояния идеального газа (рис. 1), в координатах: V, Т и р, Т (рис. 1, a); p,Vnp, Т (рис. 1, б); V, Т и р, V (рис. 1, в).

5. На рис. 2 представлен график изменения состояния идеального газа в координатах V, Т. Изменяется ли давление этого газа? Если изменяется, то как?

6. Докажите закон Авогадро*: в равных объемах газов при одинаковом давлении и одинаковой температуре содержится одинаковое число молекул.

7. Докажите закон Дальтона**: давление смеси газов, не взаимодействующих друг с другом химически, равно сумме парциальных давлений*** этих газов:

Экспериментальное задание

Продумайте и проведите ряд опытов, подтверждающих газовые законы, с использованием бумажного пакета из-под молока или сока. Например, если пустой пакет, находившийся при комнатной температуре, поместить в холодильник, объем воздуха в пакете значительно уменьшится (рис. 3).

 

 

Это материал учебника Физика 10 класс Барьяхтар, Довгий

 



Попередня сторінка:  29. Температура. Температурная шкала Ке...
Наступна сторінка:   31. Парообразование и конденсация. Насы...



^