Физика для чайников. Урок 14. Уравнение состояния идеального газа
На прошлом уроке я обещал, что объясню, что такое 1 градус температуры через работу идеального газа. Для начала, давайте определимся, а что такое идеальный газ ? В природе, конечно, идеальных газов не существует, это лишь математическая модель. Но многие реальные газы при обычных условиях (если нет экстремальных плотностей, температур и давлений) ведут себя практически как идеальный газ (с небольшими отклонениями).
И так, идеальный газ обладает следующими свойствами (допущениями):
· Потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь.
· Суммарный объем самих молекул газа пренебрежительно мал.
· Соударения между молекулами абсолютно упругие.
· Временем взаимодействия молекул между собой так же можно пренебречь.
Такой вот идеальный газ описывается формулой, которая еще и называется уравнение Клапейрона-Менделеева:
Здесь p – это давление газа, V — его объем, m – масса газа, M – это такая хитрая величина, называемая молярная масса, которая обозначает массу одного моля вещества. А моль – это 6,022•1023 молекул. Буквой T обозначена температура в градусах Кельвина, R — универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль•K). Физический смысл универсальной газовой постоянной состоит в том, что она равна работе(энергии), которую совершает идеальный газ при расширения, когда его нагревают на 1 градус при постоянном давлении (это называется изобарическим расширением ).
Таким образом, у нас теперь есть определение, что такое 1 градус. Это 8,314 Дж энергии на каждый моль идеального газа. А что такое Джоуль? Это энергия, затраченная при работе силы в 1 Ньютон при перемещении тела на 1 метр. Подробнее смотри урок ( Физика для чайников. Урок 11. Энергия. Закон сохранения энергии ). Стоит, однако заметить, что в случае реального газа, а также жидкого или твёрдого вещества, это соотношение не соблюдается. Почему? Помните, в уроке ( Физика для чайников. Урок 13. Что такое температура ) я давал определение температуры через энтропию? Так вот, на энтропию влияет взаимодействие между атомами и молекулами. Именно поэтому теплоемкость (количество энергии, которое нужно, чтобы нагреть на 1 градус единицу вещества) газов и не газов может быть совершенно разная.
А теперь вернемся к уравнению состояния идеального газа. Что такое V (объем), думаю, понятно. Константу R и соотношение m/M мы тоже разобрали. Теперь разберем, что такое давление, если кто не знает. Давление – это отношение силы к площади, на которую давит данная сила. Давление тем больше, чем меньше площадь (а значит, действие силы). Простая иллюстрация: вы идет по снегу, и проваливаетесь. Но стоит встать на лыжи – и вы можете нормально передвигается по тому же самому снегу. Сила тяжести осталась та же самая – ваш вес почти не изменился (добавился вес лыж – но это не существенно). Так почему вы теперь не проваливаетесь? А потому, что площадь лыж больше, чем площадь ваших ступней.
Теперь некоторые следствия из уравнения Клапейрона-Менделеева:
· Если сжать газ при постоянной температуре, его давление повыситься.
· Если нагревать газ при постоянном давлении, он будет расширятся.
· Если нагревать газ при постоянном объеме (например, в замкнутом сосуде), то давление повыситься. Сосуд, кстати, если он непрочный, может разорвать.
· Если накачивать газ в некий сосуд, при этом сохраняя постоянную температуру, то давление газа на стенки сосуда так же повыситься.
Источник
Молекулярная физика Основные формулы
1. Основы молекулярно-кинетической теории. Газовые законы
1.1 Количество вещества
μ — молярная масса вещества;
NA = 6,02·10 23 моль -1 — число Авогадро
1.2 Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа
p — давление идеального газа;
m — масса одной молекулы;
n = N/V — концентрация молекул;
— среднее значение квадрата скорости молекул.
1.3 Средняя квадратичная скорость молекул идеального газа
k = 1,38·10 -23 Дж/К — постоянная Больцмана;
R = kNA = 8,31 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная;
T = t+273 — абсолютная температура;
t — температура по шкале Цельсия.
1.4 Средняя кинетическая энергия молекулы одноатомного газа
1.5 Давление идеального газа
n — концентрация молекул;
k — постоянная Больцмана;
T — абсолютная температура.
1.6 Закон Бойля-Мариотта
1.7 Закон Шарля
p — давление газа при 0 °С;
α = 1/273 °C -1 — температурный коэффициент давления.
1.8 Закон Гей-Люссака
V — объем газа при 0 °С.
1.9 Уравнение Менделеева-Клапейрона
1.10 Объединенный закон газового состояния (уравнение Клапейрона)
1.11 Закон Дальтона
pi — парциальное давление i-й компоненты смеси газов.
2. Основы термодинамики
2.1 Внутренняя энергия идеального одноатомного газа
ν — количество вещества;
R = 8,31 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная;
T — абсолютная температура.
2.2 Элементарная работа, совершаемая газом,
при изменении объема на бесконечно малую величину dV
2.3 Первый закон термодинамики
ΔQ — количество подведенной теплоты;
ΔA — работа, совершаемая веществом;
ΔU — изменение внутренней энергии вещества.
2.4 Теплоемкость идеального газа
ΔQ — количество переданной системе теплоты на участке процесса;
ΔT — изменение температуры на этом участке процесса.
Источник
Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.
Уравнение состояния идеального газа
(уравнение Менделеева – Клапейрона).
Уравнением состояния называется уравнение, связывающее параметры физической системы и однозначно определяющее ее состояние.
В 1834 г. французский физик Б. Клапейрон, работавший дли тельное время в Петербурге, вывел уравнение состояния идеального газа для постоянной массы газа. В 1874 г. Д. И. Менделеев вывел уравнение для произвольного числа молекул.
В МКТ и термодинамике идеального газа макроскопическими параметрами являются: p, V, T, m.
Мы знаем, что 
. Следовательно, 
. Учитывая, что 
, получим: 
.
Произведение постоянных величин есть величина постоянная, следовательно: 
— универсальная газовая постоянная (универсальная, т.к. для всех газов одинаковая).
Таким образом, имеем:
— уравнение состояния (уравнение Менделеева – Клапейрона).
Другие формы записи уравнения состояния идеального газа.
1.Уравнение для 1 моля вещества.
Если n=1 моль, то, обозначив объем одного моля Vм, получим: 
.
Для нормальных условий получим: 
2. Запись уравнения через плотность: 
— плотность зависит от температуры и давления!
3. Уравнение Клапейрона.
Часто необходимо исследовать ситуацию, когда меняется состояние газа при его неизменном количестве (m=const) и в отсутствие химических реакций (M=const). Это означает, что количество вещества n=const. Тогда: 
Эта запись означает, что для данной массы данного газа справедливо равенство: 
Для постоянной массы идеального газа отношение произведения давления на объем к абсолютной температуре в данном состоянии есть величина постоянная: 
.
Газовые законы.
1. Закон Авогадро.
В равных объемах различных газов при одинаковых внешних условиях находится одинаковое число молекул (атомов).
Доказательство:
Следовательно, при одинаковых условиях (давление, объем, температура) число молекул не зависит от природы газа и одинаково.
2. Закон Дальтона.
Давление смеси газов равно сумме парциальных (частных) давлений каждого газа.
Доказательство: 
3. Закон Паскаля.
Давление, производимое на жидкость или газ, передается во все стороны без изменения.
Источник