Меню

Чему равно давление одного моля идеального газа

Чему равно давление одного моля идеального газа

2017-10-14
Давление одного моля идеального одноатомного газа изохорически изменили от начального до некоторого значения. Затем изобарически уменьшили объем газа в $n = 6$ раз. После этого газ изохорически перевели в конечное состояние. Зная, что температура газа в конечном состоянии в $k = 1,5$ раза превышает его температуру в начальном состоянии и полное количество теплоты, которым обменялся газ с внешними телами, равно нулю, найти отношение максимального давления газа к минимальному в этом процессе.

Будем считать, что все процессы в газе осуществляются столь медленно, что газ все время находится в состоянии термодинамического равновесия. Если давление, объем и абсолютную температуру газа по шкале Кельвина обозначить символами $p, V$ и $T$ с индексами «н» и «к», когда он находился в начальном и конечном состояниях, соответственно, то на основании уравнения Клапейрона-Менделеева можно утверждать, что

где $R$ — универсальная газовая постоянная. При написании этих выражений было учтено, что количество газа остается неизменным и равно одному молю.

По условию задачи полное количество теплоты, которым обменялся газ с внешними телами при переводе его из начального состояния в конечное, равно нулю. Следовательно, согласно первому закону термодинамики
сумма приращения внутренней энергии $\Delta W_$ и работы $A$ газа при переходе его из начального состояния в конечное должна быть равна нулю. Поскольку внутренняя энергия моля идеального одноатомного газа определяется только его температурой и равна $W_ = 1,5 RT$, то ее приращение за весь рассматриваемый процесс должно быть равно $\Delta W_ = 1,5RT_ <н>(k — 1)$. В силу того, что газ обладает свойством текучести, со стороны газа иа ограничивающие его объем поверхности при квазиравновесном изменении параметров могут действовать силы, направленные только по нормали к этим поверхностям. Поэтому работа газа при изохорическом изменении его параметров должна быть тождественно равна нулю. При изобарическом же уменьшении объема работа газа должна быть отрицательной и равной $A = p(V_ <к>— V_<н>) = pV_ <н>(n^ <-1>— 1)$, где $p$ — давление газа в указанном процессе. Из сказанного следует, что изобарическое сжатие газа должно было осуществляться, когда его давление изохорически изменили от первоначального до величины

Сопоставляя между собой соотношения (1) и (2) и подставляя в них заданные числовые значения, получим

Из этого выражения следует, что минимальным давление газа было при его изобарическом сжатии, а максимальным оно оказалось в конечном состоянии. Поэтому искомое отношение при указанных условиях равно

Источник

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.

Читайте также:  Внутричерепное давление симптомы 3 месячного ребенка симптомы

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

Чему равно давление одного моля идеального газа

Первый закон (первое начало) термодинамики — это, фактически, закон сохранения энергии. Он утверждает, что

энергия изолированной системы постоянна. В неизолированной системе энергия может изменяться за счет: а) совершения работы над окружающей средой; б) теплообмена с окружающей средой.

Для описания этих изменений вводят функцию состояния — внутреннюю энергию U и две функции перехода — теплоту Q и работу A. Математическая формулировка первого закона:

dU = QA (дифференциальная форма) (2.1)

U = QA (интегральная форма) (2.2)

Буква в уравнении (2.1) отражает тот факт, что Q и A — функции перехода и их бесконечно малое изменение не является полным дифференциалом.

В уравнениях (2.1) и (2.2) знаки теплоты и работы выбраны следующим образом. Теплота считается положительной, если она передается системе. Напротив, работа считается положительной, если она совершается системой над окружающей средой.

Существуют разные виды работы: механическая, электрическая, магнитная, поверхностная и др. Бесконечно малую работу любого вида можно представить как произведение обобщенной силы на приращение обобщенной координаты, например:

Aмех = p . dV; Aэл = . ; Aпов = . dW (2.3)

( — электрический потенциал, e — заряд, — поверхностное натяжение, W — площадь поверхности). С учетом (2.3), дифференциальное выражение первого закона можно представить в виде:

dU = Qp . dV Aнемех (2.4)

В дальнейшем изложении немеханическими видами работы мы будем, по умолчанию, пренебрегать.

Механическую работу, производимую при расширении против внешнего давления pex, рассчитывают по формуле:

A = (2.5)

Если процесс расширения обратим, то внешнее давление отличается от давления системы (например, газа) на бесконечно малую величину: pex = pindp и в формулу (2.5) можно подставлять давление самой системы, которое определяется по уравнению состояния.

Проще всего рассчитывать работу, совершаемую идеальным газом, для которого известно уравнение состояния p = nRT / V (табл. 1).

Таблица 1. Работа идеального газа в некоторых процессах расширения V1 V2:

Расширение в вакуум

Расширение против постоянного внешнего давления p

Изотермическое обратимое расширение

Адиабатическое обратимое расширение

При обратимом процессе совершаемая работа максимальна.

Теплота может переходить в систему при нагревании. Для расчета теплоты используют понятие теплоемкости, которая определяется следующим образом:

C = (2.6)

Если нагревание происходит при постоянном объеме или давлении, то теплоемкость обозначают соответствующим нижним индексом:

CV = ; Cp = . (2.7)

Из определения (2.6) следует, что конечную теплоту, полученную системой при нагревании, можно рассчитать как интеграл:

Q = (2.8)

Теплоемкость — экспериментально измеряемая экстенсивная величина. В термодинамических таблицах приведены значения теплоемкости при 298 К и коэффициенты, описывающие ее зависимость от температуры. Для некоторых веществ теплоемкость можно также оценить теоретически методами статистической термодинамики (гл. 12). Так, при комнатной температуре для одноатомных идеальных газов мольная теплоемкость CV = 3/2 R, для двухатомных газов CV = 5/2 R.

Читайте также:  Полупрофессиональные автомойки высокого давления

Теплоемкость определяется через теплоту, переданную системе, однако ее можно связать и с изменением внутренней энергии. Так, при постоянном объеме механическая работа не совершается и теплота равна изменению внутренней энергии: QV = dU, поэтому

CV = . (2.9)

При постоянном давлении теплота равна изменению другой функции состояния, которую называют энтальпией:

Qp = dU + pdV = d (U+pV) = dH, (2.10)

где H = U+pVэнтальпия системы. Из (2.10) следует, что теплоемкость Cp определяет зависимость энтальпии от температуры.

Cp = . (2.11)

Из соотношения между внутренней энергией и энтальпией следует, что для моля идеального газа

Внутреннюю энергию можно рассматривать, как функцию температуры и объема:

(2.13)

Для идеального газа экспериментально обнаружено, что внутренняя энергия не зависит от объема, , откуда можно получить калорическое уравнение состояния:

(2.14)

В изотермических процессах с участием идеального газа внутренняя энергия не изменяется, и работа расширения происходит только за счет поглощаемой теплоты.

Возможен и совсем иной процесс. Если в течение процесса отсутствует теплообмен с окружающей средой ( Q = 0), то такой процесс называют адиабатическим. В адиабатическом процессе работа может совершаться только за счет убыли внутренней энергии. Работа обратимого адиабатического расширения идеального газа:

A = — U = nCV (T1T2) (2.15)

(n — число молей, CV — мольная теплоемкость). Эту работу можно также выразить через начальные и конечные давление и объем:

A = (2.16)

где = Cp / CV.

При обратимом адиабатическом расширении идеального газа давление и объем связаны соотношением (уравнением адиабаты):

pV = const. (2.17)

В уравнении (2.17) важны два момента: во-первых, это уравнение процесса, а не уравнение состояния; во-вторых, оно справедливо только для обратимого адиабатического процесса. Это же уравнение можно записать в эквивалентном виде:

TV -1 = const, (2.18)

T p 1- = const. (2.19)

ПРИМЕРЫ

Пример 2-1. Рассчитайте изменение внутренней энергии гелия (одноатомный идеальный газ) при изобарном расширении от 5 до 10 л под давлением 196 кПа.

Решение. p1 = p2 = 196 кПа, V1 = 5 л, V2 = 10 л. Начальная и конечная температуры: T1 = p1V1 / nR, T2 = p2V2 / nR. Изменение внутренней энергии идеального газа определяется только начальной и конечной температурой (CV = 3/2 nR — идеальный одноатомный газ):

U = CV (T2T1) = 3/2 nR (T2T1) = 3/2 (p2V2p1V1) = 3/2 (196 . 10 3 ) (10-5) . 10 -3 =
= 1470 Дж.

Пример 2-2. Используя первый закон и определение теплоемкости, найдите разность изобарной и изохорной теплоемкостей для произвольной термодинамической системы.

Решение. В определение теплоемкости (2.6) подставим дифференциальное представление первого закона (2.1) и используем соотношение (2.13) для внутренней энергии как функции температуры и объема:

Отсюда при постоянном давлении получаем:

Пример 2-3. Один моль ксенона, находящийся при 25 о С и 2 атм, расширяется адиабатически: а) обратимо до 1 атм, б) против давления 1 атм. Какой будет конечная температура в каждом случае?

Решение. а) Исходный объем ксенона (n = 1):

Конечный объем можно найти из уравнения адиабаты (для одноатомного идеального газа = Cp / CV = 5/3):

Конечную температуру находим по уравнению состояния идеального газа (p2 = 1 атм):

б) При необратимом расширении против постоянного внешнего давления уравнение адиабаты неприменимо, поэтому надо воспользоваться первым законом термодинамики. Работа совершается за счет убыли внутренней энергии:

A = — U = nCV (T1T2),

где n = 1, CV = 3/2 R (одноатомный идеальный газ). Работа расширения против постоянного внешнего давления p2 равна:

Приравнивая последние два выражения, находим температуру T2:

Температура выше, чем при обратимом расширении, т.к. в обратимом случае совершается бМльшая работа, расходуется больше внутренней энергии и температура понижается на большую величину.

Ответ. а) 225 К; б) 238 К.

Пример 2-4. Один моль водяных паров обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при 100 о С. Рассчитайте работу, теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе. Удельная теплота испарения воды при 100 о С равна 2260 Дж/г.

Решение. В процессе

H2O(г) H2O(ж)

произошло обратимое сжатие газа при постоянном давлении p = 1 атм от объема V1 = nRT / p = 0.082 . 373 = 30.6 л до объема одного моля жидкой воды V2

0.018 л. Работа сжатия при постоянном давлении равна:

A = p (V2V1) —pV1 = -101.3 кПа 30.6 л = -3100 Дж.

При испарении одного моля воды затрачивается теплота 2260 Дж/г 18 г = 40700 Дж, поэтому при конденсации одного моля воды эта теплота, напротив, выделяется в окружающую среду:

Изменение внутренней энергии можно рассчитать по первому закону:

U = QA = -40700 — (-3100) = -37600 Дж,

а изменение энтальпии — через изменение внутренней энергии:

H = U + (pV) = U + p V = U + A = Q = -40700 Дж.

Изменение энтальпии равно теплоте, т.к. процесс происходит при постоянном давлении.

Ответ. A = -3100 Дж, Q = H = -40700 Дж, U = -37600 Дж.

ЗАДАЧИ

2-1. Газ, расширяясь от 10 до 16 л при постоянном давлении 101.3 кПа, поглощает 126 Дж теплоты. Определите изменение внутренней энергии газа.

2-2. Определите изменение внутренней энергии, количество теплоты и работу, совершаемую при обратимом изотермическом расширении азота от 0.5 до 4 м 3 (начальные условия: температура 26.8 о С, давление 93.2 кПа).

2-3. Один моль идеального газа, взятого при 25 o C и 100 атм, расширяется обратимо и изотермически до 5 атм. Рассчитайте работу, поглощенную теплоту, U и H.

2-4. Рассчитайте изменение энтальпии кислорода (идеальный газ) при изобарном расширении от 80 до 200 л при нормальном атмосферном давлении.

2-5. Какое количество теплоты необходимо для повышения температуры 16 г кислорода от 300 до 500 К при давлении 1 атм? Как при этом изменится внутренняя энергия?

2-6. Объясните, почему для любой термодинамической системы Cp > CV.

2-7. Чайник, содержащий 1 кг кипящей воды, нагревают до полного испарения при нормальном давлении. Определите A, Q, U, H для этого процесса. Мольная теплота испарения воды 40.6 кДж/моль.

2-8. Определите конечную температуру и работу, необходимую для адиабатического сжатия азота от 10 л до 1 л, если начальные температура и давление равны 26.8 о С и 101.3 кПа, соответственно.

2-9. Три моля идеального одноатомного газа (CV = 3.0 кал/(моль . К)), находящегося при T1 = 350 K и P1 = 5 атм, обратимо и адиабатически расширяются до давления P2 = 1 атм. Рассчитайте конечные температуру и объем, а также совершенную работу и изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе.

2-10. Система содержит 0.5 моль идеального одноатомного газа (CV = 3.0 кал/(моль . К)) при P1 = 10 атм и V1 = 1 л. Газ расширяется обратимо и адиабатически до давления P2 = 1 атм. Рассчитайте начальную и конечную температуру, конечный объем, совершенную работу, а также изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе. Рассчитайте эти величины для соответствующего изотермического процесса.

2-11. Рассчитайте количество теплоты, необходимое для нагревания воздуха в квартире общим объемом 600 м 3 от 20 о С до 25 о С. Примите, что воздух — это идеальный двухатомный газ, а давление при исходной температуре нормальное. Найдите U и H для процесса нагревания воздуха.

2-12. Человеческий организм в среднем выделяет 10 4 кДж в день благодаря метаболическим процессам. Основной механизм потери этой энергии — испарение воды. Какую массу воды должен ежедневно испарять организм для поддержания постоянной температуры? Удельная теплота испарения воды — 2260 Дж/г. На сколько градусов повысилась бы температура тела, если бы организм был изолированной системой? Примите, что средняя масса человека — 65 кг, а теплоемкость равна теплоемкости жидкой воды.

2-13. Один моль паров брома обратимо и изотермически сконденсировали в жидкость при 59 о С. Рассчитайте работу, теплоту, изменение внутренней энергии и энтальпии в этом процессе. Удельная теплота испарения брома при 59 о С равна 184.1 Дж/г.

2-14. Один моль идеального одноатомного газа вступает в следующий замкнутый цикл:

Процесс 1 2 — изотермический, 3 1 — адиабатический. Рассчитайте объемы состояний 2 и 3, а также температуры состояний 1, 2 и 3, считая стадии 1 2 и 3 1 обратимыми. Рассчитайте U и H для каждой стадии.

2-15. Придумайте циклический процесс с идеальным газом, состоящий из четырех стадий. Изобразите этот процесс в координатах pV. Рассчитайте полное изменение внутренней энергии, а также теплоту и совершенную газом работу.

2-16. Один моль фтороуглерода расширяется обратимо и адиабатически вдвое по объему, при этом температура падает от 298.15 до 248.44 К. Чему равно значение CV?

2-17. Докажите соотношение (2.16) для работы обратимого адиабатического процесса.

2-18. Один моль метана, взятый при 25 о С и 1 атм, нагрет при постоянном давлении до удвоения объема. Мольная теплоемкость метана дается выражением:

Рассчитайте U и H для этого процесса. Метан можно считать идеальным газом.

2-19. Выведите уравнение для обратимого адиабатического сжатия неидеального газа, если уравнение состояния одного моля газа имеет вид:

2-20*. Используя уравнение состояния и первый закон термодинамики, выведите уравнение адиабаты для газа Ван-дер-Ваальса.

Сервер создается при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований
Не разрешается копирование материалов и размещение на других Web-сайтах
Вебдизайн: Copyright (C) И. Миняйлова и В. Миняйлов
Copyright (C) Химический факультет МГУ
Написать письмо редактору

Источник

Adblock
detector