74791

Степени свободы молекул. Распределение энергии по степеням свободы. Молекулярно-кинетическая теория теплоемкости газов. Удельная и молярная теплоемкости

Доклад

Физика

Различают теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении если в процессе нагревания вещества его объем или давление поддерживается постоянным В молекулярно-кинетической теории пользуются моделью идеального газа удовлетворяющей следующим условиям...

Русский

2015-01-05

61.5 KB

4 чел.

31.Степени свободы молекул. Распределение энергии по степеням свободы. Молекулярно-кинетическая теория теплоемкости газов. Удельная и молярная теплоемкости

Удельная теплоемкость вещества — величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К:

Единила удельной теплоемкости — джоуль на килограмм-кельвин (Дж/(кг К)).

Молярная теплоемкость—величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моль вещества на 1 К:

(53.1)

где =m/Мколичество вещества.

Единица молярной теплоемкости — джоуль на моль-кельвин (Дж/(моль К)).

Удельная теплоемкость с связана с молярной Сm, соотношением

  (53.2)

где М — молярная масса вещества.

Различают теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении, если в процессе нагревания вещества его объем или давление поддерживается постоянным

В молекулярно-кинетической теории пользуются моделью идеального газа, удовлетворяющей следующим условиям:

1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;

2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;

3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие. Модель идеального газа можно использовать при изучении реальных газов, так как они в условиях близких к нормальным (например, кислород и гелий), а также при низких давлениях и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу.

Опытным путем, задолго до появления молекулярно-кинетической теории, был открыт целый ряд законов, описывающих поведение идеальных газов, которые мы и рассмотрим.

Закон Бойля-Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на объем есть величина постоянная;

рv = const при Т, m = сonst

42.1

Кривая, изображающая зависимость между величинами р и V, характеризующими свойства вещества при постоянной температуре, называется изотермой.Изотермы представляют собой гиперболы, расположенные на графике тем выше, чем выше температура (рис.38).

Законы Гей-Люссака: 1) объем данной массы при постоянном давлении изменяется линейно с температурой:

V = V0 (1 + t) при p ,m = const

42.2

2) давление данной массы газы при постоянном объеме изменяется линейно с температурой:

p = p0 (1+t) при V, m = const

42.3

В этих уравнениях t - температура по шкале Цельсия, р0 и V0 - давление и объем при О0С, коэффициент = 1/273.15 К-1.

Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется и з о б а р н ы м. На диаграмме в координатах V, t (рис.39) этот процесс изображается прямой, называемой изобарой. Процесс, протекающий при постоянном объеме , называется и з о х о р н ым. На диаграмме в координатах p, t (рис.40) он изображается прямой, называемой изохорой.

Из 42.2 и 42.3 следует, что изобары и изохоры пересекают ось температур в точке t = - 1/ = - 273.15 0С, определяемой из условия 1+ t = 0. Если сместить начало

Рис.39,40

отсчета в эту точку, то происходит переход к шкале Кельвина (рис.40) откуда Т = t + 1/

Вводя в формулы 42.2 и 42.3 термодинамическую температуру, закона Гей-Люссака можно придать более удобный вид:

V = V0 (1 + t) = V0 [1+( T - 1/)] = V0T

p = p0(1+ t) = p0[1+( T - 1/)] = p0 T

или

V1/V2 = T1/T2 при p, m = const

41.4

p1/p2 = T1/T2 при V, m = const

41.5

где индексы 1 и 2 относятся к произвольным состояниям, лежащим на одной изобаре или изохоре.

Закон Авогадро: моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объемы. При нормальных условиях ( р = 1.013 105 Па, Т = 273, 15 К) этот объем равен 22.41 10-3 м3/ моль.

По определению, в одном моле различных веществ содержится одно и тоже число молекул, называемое постоянной Авогадро:

N a = 6.022 10 23 моль-1.

Закон Дальтона : давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений входящих в нее газов, т.е.

р = р1 + р2 + ......+ рn

где р1,......, рn - парциальные давления - давления, которые оказывали бы газы смеси, если бы они одни занимали объем, равный объему смеси при той же температуре.

43. Уравнение Клайперона-Менделеева

Как уже указывалось, состояние некоторой массы газа определяется тремя термодинамическими параметрами: давлением з, объемом V и температурой Т. Между этими параметрами существует определенная связь, называемая уравнением состояния.

Пусть некоторая масса газа занимает объем V1, имеет давление р1 и находится при температуре Т1. Эта же масса газа в другом произвольном состоянии характеризуется параметрами р2, V2, Т2 (рис.41). Переход из состояния 1 в состояние 2 осуществляется в виде двух процессов: 1) изотермического ( изотерма 1-1), 20 изохорного (изохора 1-2).

В соответствии с законами Бойля - Мариотта 42.1 и Гей-Люссака 42.5 запишем:

р1V1 = p1V2

43.1

р1/ p2 = T1/T2

43.2

Исключив из уравнений 43.1 и 43.2 р1, получим

р1V1/T1 = p2V2 / T2

Так как состояния 1 и 2 были выбраны произвольно, то для данной массы газа величина рV/ Т остается постоянной, т.е.

рV / T = B = const

43.3

Выражение 43.3 является уравнением Клайперона, в котором В - газовая постоянная, различная для разных газов.

Уравнению

рVm = RT

43.4

удовлетворяет лишь идеальный газ, и оно является уравнением состояния идеального газа, называемым также уравнением Клайперона-Менделеева.

Числовое значение молярной газовой постоянной определим из формулы 43.4 полагая, что моль газа находится при нормальных условиях ( р = 1.013 105 Па. Т = 273, 15 К, Vm = 22.41 10-3 м3/ моль, R = 8.31 Дж / моль К).

Уравнение Клайперона-Менделеева для массы m газа

pV = m/M RT = RT

43.5

где = m/M - число молей.

Часто пользуются несколько иной формой уравнения состояния идеального газа, вводя постоянную Больцмана:

k = R/Na = 1.38 10-23 Дж /К

Исходя из этого, уравнение состояния запишем в виде

р = RT / Vm = k Na T / Vm = k n T

где Na / Vm = n - концентрация молекул.

Понятие числа степеней свободы - числа независимых переменных (координат), полностью определяющих положение системы в пространстве. В ряде задач молекулу однотомного газа (рис.47,а) рассматривают как материальную точку, которой приписывают три степени свободы поступательного движения. При этом энергию вращательного движения можно не учитывать

В классической статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: для статистической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная kT/2, а на каждую колебательную степень свободы — в среднем энергия, равная kT. Колебательная степень «обладает» вдвое большей энергией потому, что на нее приходится не только кинетическая энергия (как в случае поступательного и вращательного движений), но и потенциальная, причем средние значения кинетической и потенциальной энергий одинаковы. Таким образом, средняя энергия молекулы

где i сумма числа поступательных, числа вращательных в удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы:

В классической теории рассматривают молекулы с жесткой связью между атомами; для них i совпадает с числом степеней свободы молекулы.

Так как в идеальном газе взаимная потенциальная энергия молекул равна нулю (молекулы между собой не взаимодействуют), то внутренняя энергия, отнесенная к одному молю газа, будет равна сумме кинетических энергий Na молекул:

(50.1)

Внутренняя энергия для произвольной массы т газа.

где М — молярная масса, — количество вещества.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81363. Визнання та виконання рішень іноземних судів і арбітражі 23.62 KB
  Закону порядок виконання в Україні рішень іноземних судів і арбітражів встановлюється відповідними міжнародними договорами України цим Законом та іншими законами України. Клопотання про визнання і виконання рішення іноземного суду розглядається компетентним судом і після винесення ухвали про визнання та прийняття до виконання рішення іноземного суду на території України виписується виконавчий лист що і є основою для провадження виконавчих дій. Основою для виконання рішення іноземного арбітражу є наказ господарського суду та ухвала...
81364. Відповідальність за невиконання рішення, що зобов’язує боржника виконати певні дії, та рішення про поновлення на роботі 22.33 KB
  89 Закону у разі невиконання без поважних причин у встановлений державним виконавцем строк рішення що зобовязує боржника виконати певні дії та рішення про поновлення на роботі державний виконавець виносить постанову про накладення штрафу на боржника фізичну особу від десяти до двадцяти неоподатковуваних мінімумів доходів громадян; на посадових осіб від двадцяти до сорока неоподатковуваних мінімумів доходів громадян; на боржника юридичну особу від сорока до шістдесяти неоподатковуваних мінімумів доходів громадян та встановлює новий...
81365. Звільнення майна боржника з-під арешту, зняття арешту 27.57 KB
  Особа яка вважає що майно на яке накладено арешт належить їй а не боржникові може звернутися до суду з позовом про визнання права на майно і про звільнення майна зпід арешту. У разі прийняття судом рішення про звільнення майна зпід арешту або сплати боржником повної суми боргу за виконавчим документом до реалізації арештованого майна боржника майно звільняється зпід арешту за постановою державного виконавця яка затверджується начальником відповідного органу державної виконавчої служби додаток 40 не пізніше наступного дня коли...
81366. Поняття виконавчого провадження та його місце в системі права України 24.12 KB
  Виконавче провадження це врегульовані законодавством України суспільні відносини що виникають і реалізуються в процесі примусового виконання між органами державної виконавчої служби і посадовими особами які здійснюють примусову реалізацію рішень ухвал постанов судових і несудових органів з одного боку та між особами котрі беруть участь у виконавчому провадженні і залучаються до проведення виконавчих дій з другого боку на підставах у спосіб та в межах встановлених законом. Закону України Про виконавче провадження визначає...
81367. Принципи виконавчого провадження : поняття, зміст та значення 30.61 KB
  Принципи виконавчого провадження це закріплені у правових нормах основні засади керівні положення які визначають організацію органів державної виконавчої служби зміст і спрямованість її діяльності правовий статус учасників виконавчого провадження. На підставі теоретичних положень аналізу чинного законодавства та практики його застосування можна виокремити такі принципи виконавчого провадження: принцип гуманізма полягає у тому що заборонено у будьякій формі посягати на права і свободи фізичних осіб які беруть участь у виконавчому...
81368. Поняття, сутність та елементи правовідносин у виконавчому провадженні 28.23 KB
  Правовідносини у виконавчому провадженні виникають між державним виконавцем з одного боку та іншими субєктами виконавчого провадження стягувачем боржником з іншого. До ознак правовідносин що виникають у виконавчому провадженні слід віднести такі: вони виникають при примусовому виконанні рішень судів та інших юрисдикційних органів та регламентовані законодавством про виконавче провадження; без волі стягувана фізичної або юридичної особи державний виконавець не має права відкривати виконавче провадження. У випадку звернення...
81369. Суб’єкти виконавчого провадження та їх класифікація 25.45 KB
  Субєкти виконавчого провадження субєкти виконавчих правовідносин учасники виконавчого провадження це носії процесуальних прав та обовязків у виконавчому провадженні. Закону учасниками виконавчого провадження є державний виконавець сторони представники сторін прокурор експерти спеціалісти перекладачі субєкти оціночної діяльності субєкти господарювання. Прокурор бере участь у виконавчому провадженні у випадку здійснення представництва інтересів громадянина або держави в суді та відкриття виконавчого провадження на підставі...
81370. Органи і посадові особи Державної виконавчої служби, їх правове становище та повноваження 24.9 KB
  Органами державної виконавчої служби є: Департамент державної виконавчої служби Міністерства юстиції України до складу якого входить відділ примусового виконання рішень; управління державної виконавчої служби Головного управління юстиції Міністерства юстиції України в Автономній Республіці Крим головних управлінь юстиції в областях містах Києві та Севастополі до складу яких входять відділи примусового виконання рішень; районні районні у містах міські міст обласного значення міськрайонні відділи державної виконавчої служби відповідних...
81371. Державний виконавець як обов’язковий суб’єкт виконавчого провадження, його обов’язки та права 29.09 KB
  Державний виконавець у процесі здійснення виконавчого провадження має право: проводити перевірку виконання боржниками рішень що підлягають виконанню відповідно до цього Закону; здійснювати перевірку виконання юридичними особами всіх форм власності фізичними особами фізичними особами підприємцями рішень стосовно працюючих у них боржників; з метою захисту інтересів стягувача одержувати безоплатно від органів установ організацій посадових осіб сторін та учасників виконавчого провадження необхідні для проведення виконавчих дій...