73201

Идеальные газы

Лекция

Физика

Используя выводы рассмотренных вопросов разберем основные законы для газов. Основные газовые законы. Из основного уравнения кинетической теории газов можно вывести все газовые законы ранее установленные экспериментально.

Русский

2014-12-05

136.5 KB

19 чел.

Лекция №33. Идеальные газы.

I. Понятие об идеальном газе. Состояние системы.

Предыдущая лекция была посвящена вопросам методов исследования свойств тел на основе молекулярно-кинетической теории.

Используя выводы рассмотренных вопросов, разберем основные законы для газов.

Все газы делятся на два основных вида:

Идеальным газом называется газ, удовлетворяющий следующим условиям:

  1.  размеры молекул пренебрежительно малы
  2.  соударения молекул происходят как соударения упругих шариков
  3.  между молекулами не проявляются силы взаимодействия

Пример идеального газа – сильно разряженные газы (не превышающие атмосферное в 100 раз) при не очень низких температурах.

Реальным газом называется газ, между молекулами которого существуют заметные силы межмолекулярного взаимодействия, и учитывается размер молекул.

Понятие об идеальном газе является практически удобной абстракцией. Такое понятие дало возможность построить молекулярно-кинетическую теорию, рассмотреть вопросы о вычислении теплоемкостей, явления переноса и др. В определенных границах выводы этой теории хорошо подтверждаются экспериментами.

Введем некоторые понятия, необходимые для рассмотрения вопросов лекции.

Термодинамическая система – совокупность макроскопических объектов, обменивающихся энергией в форме работы и в форме теплоты как друг с другом, так и с внешней средой. Макроскопические объекты – компоненты (число от 1 до ).

Состояние системы определяется, как уже говорилось совокупностью её термодинамических параметров (параметров состояния).

Время перехода системы из неравновесного состояния в равновесное называется временем релаксации.

 Термодинамическим процессом (процессом) называется всякое изменение состояния системы.

II. Процессы.

1) Равновесный, при котором система проходит непрерывный ряд равновесных состояний:

Этот процесс бесконечно медленный

2) Обратимый, при котором возможно осуществить обратный переход через те же промежуточные состояния так, чтобы не осталось никаких изменений в окружающих телах. Пример: колебания тяжелого маятника.

Необратимый, при котором в теле или в окружающих телах есть изменения. Примеры: передача тепла от более нагретого тела к менее нагретому; любой процесс с трением.

3) Круговой (цикл), в результате совершения которого система возвращается в исходное состояние.

4) Адиабатный, осуществляемый системой без теплообмена с внешней средой.

5) Политропный, при котором идеальная теплоемкость газа постоянна (общий процесс, его частными случаями являются адиабатный и все изопроцессы).

6) Изопроцессы, протекающие при неизменном значении какого-либо параметра состояния при m = const.

III. Основные газовые законы.

Из основного уравнения кинетической теории газов можно вывести все газовые законы, ранее установленные экспериментально. Для вывода каждого закона используем конкретную формулу основного уравнения.

а) Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс)

, т.к. , получим основное уравнение:

, (из уравнения (8) лекции 7),

где N – число молекул в единице объема

 m – масса газа

– средняя квадратичная скорость молекул

при t = const и m = const, следовательно, правая часть const, т.е.

PV = const        (1)

б) закон Гей-Люссака (изобарический процесс)

          (*)

         (**)

поделив (*) на (**), получим:           (2)

или Vt = V0(1+ αt0), где

Vt – температура при t0C;

V0 – температура при 00С;

– температурный коэффициент

в) Закон Шарля (изохорический процесс)

Получается аналогичным рассуждением:

       (3)

или    Pt = Р0(1 + αt0)

г) Объединенный газовый закон

       (4)

Во всех выше рассмотренных законах масса газа считается постоянной.

Для примера приведем графики различных процессов в разных системах координат:

 

 

 

 

 

 IV. Уравнение состояния идеальных газов и газовая постоянная.

Уравнением состояния газа называется уравнение, связывающее основные параметры, характеризующие состояние газа.

Согласно объединенному газовому закону

,

где С – газовая постоянная.

С зависит от массы, химического состава и выбора единиц измерения P, V, T.

– называется удельная газовая постоянная.

Получим уравнение, выведенное Клапейроном в 1834г. для произвольной массы газа:

PV=mBT        (5)

B для системы СИ: ,

где ρ – плотность газа.

Однако гораздо удобнее пользоваться уравнением состояния в универсальном виде, что и было сделано Менделеевым в 1874г.

уравнение Менделеева-Клапейрона,  (6)

где μ – масса киломоля газа;

R – универсальная газовая постоянная.

R = 8,32∙103 Дж/Кмоль∙К

или    R = 8,32 ДЖ/моль∙К

– число молей.

Выясним физический смысл универсальной газовой постоянной.

В цилиндре заключен 1 моль газа. Нагреваем газ на 10 при Р = const. Вычислим работу расширения газа.

A = F(ℓ1– ℓ) = ps(ℓ1– ℓ)= pV1–pV = R(T + 1) – RT = R

A = R             (7)

Физический смысл R: R численно равна работе при изобарическом расширении 1 моля газа при нагревании его на 1 градус.

Уравнение Менделеева-Клапейрона широко используется для решения многих практических задач (вплоть до давлений, немного превышающих атмосферное и не очень низких температурах).

V. Смесь газов. Закон Дальтона.

Остановимся еще вкратце на смеси идеальных газов.

Смесью газов называется совокупность нескольких разнородных газов, которые при рассматриваемых условиях не вступают друг с другом в химические реакции.

Смесь газов – гомогенная термодинамическая система (внутри которой нет поверхностей раздела, отделяющих друг от друга макроскопические части системы, различающиеся по своим свойствам и составу).

Парциальным давлением Pi i-го газа в смеси называется давление, под которым находился бы этот газ, если бы из смеси были удалены все остальные газы, а V и T остались прежними.

Закон Дальтона: в случае идеальных газов сумма парциальных давлений равна давлению всей газовой смеси:  P = P1 + P2 +…+ Pn

       (8)

аналогично и для парциальных объемов:

закон Амага      (9)

При расчете параметров состояния смеси идеальных газов можно пользоваться уравнением Менделеева-Клапейрона в форме:

,        (10)

где М – масса всей системы;

– кажущийся молекулярный вес.

Для реальных газов наблюдаются отступления, которые будут разобраны на более поздних лекциях.

VI. Идеальный газ в поле тяжести. Распределение Больцмана.

При рассмотрении закона распределения Максвелла, кинетической теории газов, законов идеальных газов предполагалось, что на молекулы действуют лишь силы ударов со стороны других молекул. Однако, т.к. молекулы обладают массой и находятся в поле тяготения Земли, то на них действует сила тяжести. Рассмотрим влияние этой силы:

а) выделим элементарный объем с площадью S параллельной поверхности Земли;

б) газ однородный (масса одной молекулы m);

в) T = const;

г) n0 – число молекул в единице объема;

д) объем – dV = Sdh, тогда число молекул в объеме:

dN = n0dV

Сила тяжести равна: dp = dNmg

Давление равно:

“ – “ указывает на уменьшение Р с высотой h.

Согласно основного уравнения кинетической теории газов:

P = n0kT

dP = kTdn0

или

это барометрическая формула  (11)

Барометрическая формула показывает, что концентрация молекул n и давление p падают с высотой по экспоненциальному закону.

mg(hh0) = ΔE – приращение потенциальной энергии.

общий закон Больцмана.

Закон Больцмана был использован для определения числа Авогадро.


ГАЗЫ

Идеальные

Реальные

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

ЗАМКНУТАЯ ИЛИ

ИЗОЛИРОВАННАЯ

нет теплообмена с внешней средой

НЕЗАМКНУТАЯ

есть теплообмен с

внешней средой

ГОМОГЕННАЯ

внутри которой нет поверхности раздела

макроскопических

частей системы

ГЕТЕРОГЕННАЯ

есть поверхности

раздела

ФИЗИЧЕСКИ

ОДНОРОДНАЯ

состав и физические

свойства одинаковы во

всех частях системы

СОСТОЯНИЯ  СИСТЕМЫ

СТАЦИОНАРНОЕ –

не изменяется во времени

НЕСТАЦИОНАРНОЕ –

изменяется во времени

РАВНОВЕСНОЕ –

при котором все  термодинамические параметры const во времени. Равновесное состояние графически изображаются точкой на графике

ЕРАВНОВЕСНОЕ –

параметры изменяются со временем. Нельзя изобразить точкой на графике

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ

T=const

ИЗОХОРИЧЕСКИЙ

V=const

ИЗОБАРИЧЕСКИЙ

P=const

V

2

S

1

P

2

V

Р

V

Р

Т

Т

1

V

P

3

2

1

изотерма

изобара

изотерма

изотерма

изобара

изобара

dh

S

изохора

адиабата

изохора

изохора

адиабата

адиабата

1

T2 > T1

T1 > T2

h

T2

T1

T1

T2

p, n

Пример: любое химически однородное тело в одном агрегатном состоянии

Пример: тающий лёд, горные породы

Пример: газ, если не действует внешнее силовое поле

V

P

Р

изобара

V

изотерма

V

P


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

41324. Исследование состава и возможностей ИС РПО для семейства МК АVR 3.63 MB
  Основные теоретические положения Программная среда АVR Studio Фирма Аtmel разработчик микроконтроллеров АVR очень хорошо позаботилась о сопровождении своей продукции. Для написания программ их отладки трансляции и прошивки в память микроконтроллера фирма разработала специализированную среду разработчика под названием АVR Studio Программная среда АVR Studio это мощный современный про граммный продукт позволяющий производить все этапы разработки программ для любых микрокон троллеров серии АVR ....
41325. Работа с ИС РПО для семейства МК АVR 5.99 MB
  Если уже есть файл с текстом программы на Ассемблере и просто необходимо создать проект а затем подключить туда готовый программный файл снимите соответствующую галочку. Оно должно содержать имя файла куда будет записываться текст программы. При выборе этого элемента диалог создания проекта будет автоматически запускаться каждый раз при запуске программы VR Studio.ps; файл куда будет помещен текст программы на Ассемблере Prog1.
41326. Лабораторная работа Определение скорости полета пули методом баллистического маятника 461 KB
  Приборы: пули свинцовые 5 штук; пневматическое ружье; баллистический маятник; аналитические весы 0001 г; технические весы 1 г; линейка 1 см; секундомер 01 с. где d расстояние от зеркальца до шкалы; n отклонение âзайчикаâ по шкале; расстояние от оси вращения до точки удара пули; l расстояние от оси вращения до центра тяжести; h высота поднятия цента тяжести;  угол отклонения; масса пули m.
41327. Основные закономерности движения простых колебательных систем. Изучение вынужденных колебаний 123 KB
  Найдем коэффициент возвращающей силы К и модуль Юнга Е. Теперь найдем добротность Q логарифмический декремент затухания  коэффициент затухания  коэффициент трения r частота резонанса Wрез: Итак подытожим результат: Е = 54 109  05 109 с1; К = 58  01 кгс1; W0 = Wрез= 622 с1; Q = 2074;  = 002;  = 02; r = 06.
41328. Измерение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника Катера и механического секундомера 33.5 KB
  Положение ножа Х см Время с Период с1 67 71 142 84 168 82 915 183 91 183 Примерное значение А  81 см. Проведем измерения при нескольких значениях Х лежащих вблизи А: Положение ножа Х см Период Т1 с1 Период Т2 с1 825 184 183 820 184 181 815 183 181 810 183 180 805 182 179 800 182 179 795 182 179 Установим и измерим расстояние а между подшипниками: а = 8546 42 = 8504 мм. Определим центр инерции: а1 = 225 88 = 137 см Измерение периода колебаний Т I положение маятника: N1 = 100; t1 = 181 c.; N3...
41329. Измерение токов и напряжений 188.76 KB
  Цель работы: сравнение две возможные схемы включения амперметра и вольтметра; определение сопротивления амперметра и вольтметра. Приборы: три реостата (30 Ом, 5А; 30 Ом, 5А; 100 Ом, 2А), амперметр (класс точности 0.2; цена деления 0,05 А), вольтметр (точность 0.2; цена деления 1.5 В), выключатель и два переключателя
41330. Измерение токов и напряжений. Дополнение к лабораторной работе 40.5 KB
  Гадуировка шкалы – до 100 В; установка – до 150 В, относительно всей шкалы. Тогда одно деление равно 150/100 = 1,5 В. Vотсч = 0,5 * 1,5 = 0,75 В
41331. Определение отношения e/m при помощи фокусировки электронного пучка в продольном магнитном поле 219 KB
  Приборы: потенциометр 100 Ом 2А вольтметр градуировка 600 В вся шкала 1200 В класс точности 10 амперметр градуировка 150 А вся шкала 3 А класс точности 05. а Ищем Vград Класс точности = 10; Vград Vномин = 001; Vград = 1200 001 = 12 В Vград = 12 В б Ищем Vотсч Градуировка шкалы до 600 В; установка до 1200 В относительно всей шкалы. Общая формула: а Ищем Iград Класс точности = 05; Iград Iномин = 0005; Iград = 3 0005 = 0015 А Iград = 0015 А б Ищем Iотсч Градуировка шкалы до 150 А; установка до 3...
41332. Определение моментов инерции тела 329.5 KB
  Отчет по работе № 90 “Определение моментов инерции тела” студента 12 группы I курса Василькова Сергея Дмитриевича. Приборы: штангенциркуль (0,05 мм); весы (гиревые) (1 г); секундомер (0,1 с). Изучаемый прибор...