Идеальный газ простейшая модель реальных газов. Классический идеальный газ. Строение газообразных, жидких и твердых тел
Часто встречающийся в физике идеальный газ является определенной моделью вещества, которая вводится для объяснения простейших свойств некоторых реальных физических систем (реального газа, электронов в металле и др.).
Идеальный газ представляют как систему свободных невзаимодействующих частиц, находящихся в непрерывном хаотическом движении. Взаимодействие частиц идеального газа проявляется только в их упругих столкновениях.
Частицы идеального газа принимают за твердые шарики, размер которых намного меньше среднего расстояния между ними. Промежуток времени между столкновениями при этом оказывается много больше, чем время самих столкновений. Следовательно, большую часть времени частицы движутся в газе равномерно и прямолинейно.
Благодаря беспорядочному движению частицы идеального газа очень часто сталкиваются друг с другом. Эти столкновения частиц между собой приводят к ряду интересных следствий.
Во-первых, разлетаясь после столкновений в разные стороны, частицы из выделенной группы будут постепенно рассеиваться в пространстве, занимая в конце концов бесконечно большой объем. Поэтому в большинстве" случаев идеальный газ рассматривают внутри некоторого объема, т. е. ограниченный стенками сосуда. Частицы, встречая
на своем пути стенки сосуда будут по законам упругого удара отражаться от них, передавая стенке определенное количество движения (импульс силы). Следствием этого является давление, оказываемое газом на стенку.
Во-вторых, столкновения частиц газа между собой приводят к тому, что они непрерывно обмениваются энергией, изменяют свои скорости и координаты внутри объема. Благодаря Этому в газе при постоянных внешних параметрах устанавливается равновесное состояние, которому соответствует определенное распределение частиц в пространстве, по направлениям движения и по скоростям. Любые отклонения от такого равновесного состояния сглаживаются благодаря непрерывному хаотическому движению и столкновениям частиц. За сравнительно короткое время (время релаксации) газ снова приходит в равновесное состояние. Рассматривая газ, при постоянных внешних параметрах, за промежутки времени, большие времени релаксации, мы можем считать его состояние равновесным. Некоторые же вопросы, связанные с неравновесными процессами, будут рассмотрены в IV главе.
Если идеальный газ находится в равновесном состоянии при отсутствии внешних сил, то его частицы заполняют весь объем с постоянной плотностью. Число частиц, заключенных в некотором интересующем нас объеме V, буяет определяться по формуле
где - число частиц в единице объема, равное отношению всего числа частиц ко всему занятому газом объему:
Столкновения частиц приводят не только к установлению в газе одинаковой плотности, но и к равномерному распределению в пространстве направлений движения частиц. Сколько частиц движется в одном направлении, столько же в среднем движется и в любом Другом, в том числе и противоположном направлении. В результате такой равноправности направлений движения давление в идеальном газе оказывается изотропным.
При равновесии в газе устанавливается также и определенное распределение частиц по скоростям. При этом средние скорости и число частиц, движущихся в разных направлениях, оказываются одинаковыми, о чем свидетельствует отсутствие направленного потока газа при равновесии.
Для рассматриваемой модели идеального газа легко найти зависимость между давлением и объемом.
Пусть идеальный газ находится в сосуде, имеющем форму шара с радиусом . В этом случае частиц, находящихся в объеме оказывают давление на поверхность
Рис. 8. К выводу закона Бойля - Мариотта по М. В. Ломоносову
Затем сожмем это количество газа так, чтобы он занимал объем шара с вдвое меньшим радиусом т. е. . Если скорости движения частиц останутся прежними, то те же удары частиц будут теперь приходиться на вчетверо меньшую поверхность вследствие чего давление должно возрасти в 4 раза. С другой стороны, из-за уменьшения объема средний путь частицы между столкновениями будет вдвое меньше, что приведет при той же скорости движения молекул к увеличению вдвое числа столкновений в единицу времени, т. е. и со стенкой частицы будут сталкиваться вдвое чаще. Таким образом, при уменьшении объема идеального газа в 8 раз давление должно возрасти также в 8 раз. Это и есть закон Бойля - Мариотта:
Приведенный здесь вывод этого закона был еще в 1745 г. предложен Ломоносовым.
Рассмотренная модель идеального газа при определенных условиях объясняет многие свойства реального газа, т. е. простейшего газообразного состояния вещества.
Существует следующий критерий применимости модели идеального газа к реальному газу. Если поведение реального газа удовлетворяет закону Бойля - Мариотта, то газ можно рассматривать как идеальный. Например, воздух при нормальных условиях можно рассматривать как идеальный газ. Поэтому дальнейшие выводы, которые будут получены на основании свойств модели идеального газа, можно распространять и на реальные газы. Вместо частиц идеального газа далее будем рассматривать молекулы реального газа.
Идеальный газ - это теоретическая модель газа, в которой пренебрегают размерами и взаимодействиями частиц газа и учитывают лишь их упругие столкновения.
Модель идеального газа была предложена в 1847 г. Дж. Герапатом. На основе этой модели были теоретически выведены газовые законы (закон Бойля-Мариотта, закон Гей-Люссака, закон Шарля, закон Авогадро), которые ранее были установлены экспериментально. Модель идеального газа была положена в основу молекулярно-кинетической теории газа.
Основными законами идеального газа являются уравнение состояния и закон Авогадро, в которых впервые были связаны макро характеристики газа (давление, температура, масса) с массой молекулы (уравнение Менделеева-Клапейрона, или уравнение состояния идеального газа)
В простейшей модели газа молекулы рассматриваются как очень маленькие твердые шарики, обладающие массой. Движение отдельных молекул подчиняется законам механики Ньютона. Конечно, не все процессы в разреженных газах можно объяснить с помощью такой модели, однако давление газа вычислить с ее помощью можно.
2. Основное уравнение МКТ
§ Идеальный газ. Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. В модели идеального газа предполагается следующее: молекулы обладают пренебрежимо малым объемом по сравнению с объемом сосуда, между молекулами не действуют силы притяжения, при соударениях молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивания.
§ Давление идеального газа. Одним из первых и важных успехов молекулярно-кинетической теории было качественное и количественное объяснение явления давления газа на стенки сосуда.
§ Качественное объяснение давления газа заключается в том, что молекулы идеального газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция вектора скорости на ось ОХ, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю
§ Во время столкновения молекула действует на стенку с силой , равной по третьему закону Ньютона силе по модулю и направленной противоположно.
§ Молекул газа очень много, и удары их о стенку следуют один за другим с очень большой частотой. Среднее значение геометрической суммы сил, действующих со стороны отдельных молекул при их столкновениях со стенкой сосуда, и является силой давления газа. Давление газа равно отношению модуля силы давления к площади стенки S :
§ На основе использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено уравнение, которое позволяло вычислить давление газа, если известны масса m 0 молекулы газа, среднее значение квадрата скорости молекул и концентрация n молекул:
§ Уравнение называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории.
Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа :
3. Давление газа
Давление - сила, приходящаяся на единицу площади.
Давление газа - результат ударов его молекул о стенки сосуда.
Давление газа. Уравнение Менделеева - Клайперона
Давление газа. Уравнение Клайперона.
Объединенный газовый закон (при m-const).
Билет №25
Твердые чистые вещества в обычном состоянии - это кристаллы с почти полным упорядочением структурных единиц: атомов, ионов или молекул. Известна небольшая группа аморфных твердых веществ - стекло, смолы, пластические массы и др., составные части которых (макромолекулы или макроионы) почти совсем не упорядочены. Твердые аморфные вещества можно рассматривать как переохлажденные жидкости с очень большой вязкостью. Они не имеют упорядоченной кристаллической решетки, не имеют определенных точек плавления, а плавятся в широком интервале температур. Они изотропны; это означает, что физические свойства таких веществ неизменны во всех направлениях.
В отличие от аморфных тел и жидкостей в кристаллах существует, как это схематически показано на рисунке, дальний порядок в расположении атомов твердого тела. Атомы в этом случае располагаются в узлах правильной пространственной сетки (кристаллической решетки). Для любого направления в пространстве А, В, С, D, Е, ..., проходящего через центры атомов, расстояние между центрами двух соседних атомов остаются неизменными вдоль всей прямой, но отличаются для различных прямых. В соответствии с этим физические свойства (упругие, механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические и др. будут, вообще говоря, разными по различным направлениям. Неодинаковость свойств кристалла в различных направлениях называют анизотропией.
Билет №26
Внешнее механическое воздействие на тело вызывает смещение атомов из равновесных положений и приводит к изменению формы и объема тела, т. е. к его деформации. Самые простые виды деформации - растяжение и сжатие. Растяжение испытывают тросы подъемных кранов, канатных дорог, буксирные тросы, струны музыкальных инструментов. Сжатию подвергаются стены и фундаменты зданий. Изгиб испытывают балки перекрытий в зданиях, мостах. Деформация изгиба сводится к деформациям сжатия и растяжения, различным в разных частях тела.
Деформация и напряжение. Деформацию сжатия и растяжения можно характеризовать абсолютным удлинением Δl , равным разности длин образца до растяжения l 0 и после него l :
Абсолютное удлинение при растяжении положительно, при сжатии имеет отрицательное значение.
Отношение абсолютного удлинения к длине образца называется относительным удлинением :
При деформации тела возникают силы упругости. Физическая величина, равная отношению модуля силы упругости к площади сечения тела, называется механическим напряжением :
За единицу механического напряжения в СИ принят паскалъ (Па). .
Наиболее простые виды деформации тела в целом:
§ растяжение-сжатие,
§ кручение.
В большинстве практических случаев наблюдаемая деформация представляет собой совмещение нескольких одновременных простых деформаций. В конечном счёте, однако, любую деформацию можно свести к двум наиболее простым: растяжению (или сжатию) и сдвигу.
Билет №27
Плавлением называют процесс перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое. Плавление происходит при постоянной температуре с поглощением тепла. Постоянство температуры объясняется тем, что при плавлении вся подводимая теплота идет на разупорядочение регулярного пространственного расположения атомов (молекул) в кристаллической решетке. При этом среднее расстояние между атомами и, следовательно, силы взаимодействия изменяется незначительно. Температура плавления для данного кристалла? его важная характеристика, но она не является величиной постоянной, а существенным образом зависит от внешнего давления, при котором происходит плавление. Для большинства кристаллов (кроме воды, и некоторых сплавов) температура плавления растет с увеличением внешнего давления, так как для отдаления атомов друг от друга при большем давлении требуется большая энергия тепловых движений, т. е. Более высокая температура.
Удельная теплота́ плавления - количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества в равновесном изобарно-изотермическом процессе, чтобы перевести его из твёрдого (кристаллического) состояния в жидкое (то же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества).
Теплота плавления - частный случай теплоты фазового перехода I рода.
Различают удельную теплоту плавления (Дж/кг) и молярную (Дж/моль).
Удельная теплота плавления обозначается буквой (греческая буква лямбда ) Формула расчёта удельной теплоты плавления: , где - удельная теплота плавления, - количество теплоты, полученное веществом при плавлении (или выделившееся при кристаллизации), - масса плавящегося (кристаллизующегося) вещества.
Билет №28
Термодинамика - раздел физики, изучающий соотношения и превращения теплоты и других форм энергии. В отдельные дисциплины выделились химическая термодинамика, изучающая физико-химические превращения, связанные с выделением или поглощением тепла, а также теплотехника.
В термодинамике имеют дело не с отдельными молекулами, а с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа частиц. Эти тела называются термодинамическими системами. В термодинамике тепловые явления описываются макроскопическими величинами - давление, температура, объём, …, которые не применимы к отдельным молекулам и атомам.
В теоретической физике наряду с феноменологической термодинамикой, изучающей феноменологию тепловых процессов, выделяют термодинамику статистическую, которая была создана для механического обоснования термодинамики и была одним из первых разделовстатистической физики
.Внутренняя энергия тела (обозначается как E или U) - это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы. Это означает, что всякий раз, когда система оказывается в данном состоянии, её внутренняя энергия принимает присущее этому состоянию значение, независимо от предыстории системы. Следовательно, изменение внутренней энергии при переходе из одного состояния в другое будет всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях, независимо от пути, по которому совершался переход.
Внутреннюю энергию тела нельзя измерить напрямую. Можно определить только изменение внутренней энергии:
§ - подведённая к телу теплота , измеренная в джоулях
§ - работа , совершаемая телом против внешних сил, измеренная в джоулях
Эта формула является математическим выражением первого начала термодинамики
Для квазистатических процессов выполняется следующее соотношение:
§ - температура , измеренная в кельвинах
§ - энтропия , измеренная в джоулях/кельвин
§ - давление , измеренное в паскалях
§ - химический потенциал
§ - количество частиц в системе
Молекулы можно рассматривать как системы материальных точек (атомов) совершающих как поступательное, так и вращательное движения. При исследовании движения тела необходимо знать его положение относительно выбранной системы координат. Для этого вводится понятие о степенях свободы тела. Число независимых координат, которые полностью определяют положение тела в пространстве, называется числом степеней свободы тела.
При движении точки по прямой линии для оценки ее положения необходимо знать одну координату, т.е. точка имеет одну степень свободы. Если точка движения по плоскости, ее положение характеризуется двумя координатами; при этом точка обладает двумя степенями свободы. Положение точки в пространстве определяется 3 координатами. Число степеней свободы обычно обозначают буквой i. Молекулы, которые состоят из обычного атома, считаются материальными точками и имеют три степени свободы (аргон, гелий).
Билет №29
| Работа в термодинамике. | |
| В термодинамике движение тела как целого не рассматривается и речь идет о перемещении частей макроскопического тела относительно друг друга. При совершении работы меняется объем тела, а его скорость остается раной нулю. Носкорости молекул тела меняются! Поэтому меняется температура тела. Причина в том, что при столкновении с движущимся поршнем (сжатие газа) кинетическая энергия молекул изменяется - поршень отдает часть своей механической энергии. При столкновении с удаляющимся поршнем (расширение) скорости молекул уменьшаются, газ охлаждается. При совершении работы в термодинамике меняется состояние макроскопических тел: их объем и температура. | |
| - сила, действующая на газ со стороны поршня. А - работа внешних сил по сжатию газа. - сила, действующая на поршень со стороны газа. А" - работа газа по расширению. = - - по 3-ему з-ну Ньютона. Следовательно: А= - А" = pS, где p- давление, S - площадь поршня. Если газ расширяется: Dh=h 2 - h 1 - перемещение поршня. V 1 =Sh 1 ; V 2 =Sh 2 . |  |
Физический смысл молярной газовой постоянной. Пусть идеальный газ изобарически переходит из 1-го состояния во 2-е. Давление в обоих состояниях одинаково, обозначим его p
. Для любого состояния справедливо уравнение Клапейрона-Менделеева, поэтому можем записать:
p 1 V 1 = RT 1
и p 2 V 2 = RT 2
.
Найдем работу газа:
A = p V = p(V 2 – V 1) = pV 2 – pV 1
.
Подставим соотношения, полученные выше, тогда:
A = RT 2 – RT 1 = R(T 2 – T 1)
.
В скобках стоит изменение температуры, поэтому окончательно получаем:
Если имеется один моль газа, а изменение температуры составляет 1 К, то работа равна молярной газовой постоянной.
Молярная газовая постоянная численно равна работе, совершаемой одним молем идеального газа при его изобарическом нагревании на 1 К
.
Билет №30
1.Теплообмен физический процесс передачи тепловой энергии от более горячего тела к более холодному либо непосредственно (при контакте), либо через разделяющую (тела или среды) перегородку из какого-либо материала. Когда физические тела одной системы находятся при разной температуре , то происходит передача тепловой энергии , или теплопередача от одного тела к другому до наступления термодинамического равновесия . Самопроизвольная передача тепла всегда происходит от более горячего тела к более холодному, что является следствием второго закона термодинамики
2. Всего существует три простых (элементарных) вида передачи тепла:
§ Теплопроводность
§ Конвекция
§ Тепловое излучение
Существуют также различные виды сложного переноса тепла, которые являются сочетанием элементарных видов. Основные из них:
§ теплоотдача (конвективный теплообмен между потоками жидкости или газа и поверхностью твёрдого тела);
§ теплопередача (теплообмен от горячей жидкости к холодной через разделяющую их стенку);
§ конвективно-лучистый перенос тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией);
§ термомагнитная конвекция
Билет №35
Тепловые двигатели.
Тепловые двигатели превращают часть внутренней энергии системы в механическую и за счет нее совершают механическую работу
.
Для работы теплового двигателя необходимо наличие трех тел: нагревателя, рабочего тела и холодильника (рис. 5.1).
Тепловой двигатель работает циклично. Получив от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1
, рабочее тело, расширяясь, совершает механическую работу A
, затем возвращается в исходное состояние – сжимается, при этом неизрасходованную часть теплоты Q 2
оно отдает холодильнику.
Рис. 5.1.
Работа за один цикл равна:
A = Q 1 – Q 2
,
а к.п.д. теплового двигателя вычисляется по формуле:
У первых паровых машин к.п.д. не превышал 10–15%. К.п.д. современных паровых турбин, используемых на электростанциях, близок к 25%, а у газовых турбин он достигает 50%. Двигатели внутреннего сгорания имеют к.п.д. 40–45%, а у турбореактивных двигателей он равен 60–70%.
Невозможно создать тепловую машину, которая всю теплоту, полученную от нагревателя, превращала бы в механическую работу
.
Это альтернативная формулировка второго начала термодинамики
.
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Вступление
1. Основные положения молекулярно-кинетической теории идеальных газов, ее опытные обоснования
2. Размеры молекул
3. Микро- и макропараметры системы
4. Основные уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления
5. Скорости газовых молекул
6. Энергия поступательного движения молекул газа
7. Уравнение состояния идеального газа - уравнение Менделеева-Клапейрона
8. Опытные газовые законы. Давление смеси идеальных газов (закон Дальтона)
Заключение
Литература
Вступление
Молекулярно-кинетическая теория описывает свойства макросистем (вещества) на основе статистической механики и представления о молекулярном строении вещества. В данном разделе с позиций молекулярно-кинетической теории будут рассмотрены свойства газов. При этом в качестве модели реального газа будет использоваться идеальный газ.
Идеальный газ - это модель газа, в которой не учитывается взаимодействие частиц газа (атомов, молекул), т.е. средняя кинетическая энергия частиц много больше потенциальной энергии их взаимодействия.
Идеальный газ - это газ, взаимодействие, между молекулами которого пренебрежимо мало, т.к. молекулы находятся далеко друг от друга. В реальности к идеальному газу приближены разреженные газы. Основными параметрами идеального газа являются давление, объём и температура. Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда и растёт с увеличением температуры.
В механике мы рассматривали движение материальных тел. При этом тела мы представляли как материальные точки или абсолютно твёрдые тела. Внутренняя структура тел при этом вообще не рассматривалась.
Но в ряде случаев внутреннее структурой тел пренебречь невозможно. Например, атмосфера Земли как целое движется вместе с ней в мировом пространстве. Но жители Земли знают, что атмосфера далеко не статична, в ней происходят сложнейшие процессы - атмосферные явления, ход которых обусловлен движением и взаимодействиями частиц, образующих атмосферу.
Таким образом, достаточно часто физика должна описывать явления, связанные не с движением тела как целого, а с движением образующих его микроскопических частиц и их взаимодействиями. В таких случаях необходимо описание внутренней структуры тела, движения частиц, образующих тело.
В настоящее время известно, что все тела состоят из колоссального количества молекул. Например, в 1 см 3 газа при комнатной температуре и атмосферном давлении содержится около 10 19 молекул. Тела, состоящие из подобного количества микрочастиц, принято называть макросистемами.
Описать движение такого количества частиц на основе динамического подхода нельзя. Во-первых, решить систему из 10 19 уравнений, составленных на основе второго закона Ньютона, практически нельзя, во-вторых, невозможно определить начальные положения и начальные скорости всех молекул тела, что делает задачу принципиально неразрешимой в рамках динамического подхода.
Однако частицы вещества взаимодействуют между собой (например, молекулы газа постоянно соударяются друг с другом), случайным образом обмениваясь энергией, импульсами, вследствие чего в их поведении начинают проявляться статистические закономерности. Это выражается в том, что поведение системы в широких пределах не зависит от точных значений начальных координат и скоростей частиц макросистемы. Предоставленная самой себе макросистема самопроизвольно переходит в равновесное состояние, которое зависит от количества частиц в макросистеме, их суммарной энергии. Поэтому для описания макросистем используется статистическая механика, которая изучает поведение макросистем, исходя из свойств образующих её частиц и взаимодействий между ними.
Всегда было интересно, какой процесс происходит во время самовоспламенения горючей смеси в двигателе внутреннего сгорания.
1. Основные положения молекулярно - кинетической теории идеальных газов , ее опытные обоснования
Согласно молекулярно-кинетической теории все вещества состоят из мельчайших частиц - молекул. Молекулы находятся в непрерывном движении и взаимодействуют между собой. Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекулы состоят из более простых частиц - атомов химических элементов. Молекулы различных веществ имеют различный атомный состав.
Молекулы обладают кинетической энергией W кин и одновременно потенциальной энергией взаимодействия W пот. В газообразном состоянии W кин > W по т. В жидком и твердом состояниях кинетическая энергия частиц сравнима с энергией их взаимодействия (W кин W пот).
Поясним три основных положения молекулярно-кинетической теории.
1. Все вещества состоят из молекул, т.е. имеют дискретное строение, молекулы разделены промежутками.
2. Молекулы находятся в непрерывном беспорядочном (хаотическом) движении.
3. Между молекулами тела существуют силы взаимодействия.
Молекулярно-кинетическая теория обосновывается многочисленными опытами и огромным количеством физических явлений.
4. Идеальный газ - это физическая модель, в которой:
а) пренебрегают собственными размерами молекул;
б) пренебрегают энергией взаимодействия между молекулами;
в) в процессе столкновения между собой и со стенками сосуда молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела.
Опыт показывает, что при давлениях, близких к атмосферному, и температурах, близких к комнатной, многие газы (азот, кислород, водород, пары воды и т.д.) можно считать идеальными. Энергией взаимодействия молекул между собой здесь можно пренебречь потому, что в этих условиях лишь небольшая доля молекул находится в каждый момент времени в состоянии соударения.
Молекулярно-кинетическая теория позволяет выразить макроскопические параметры термодинамической системы (давление, температуру и т.д.) через усредненные микроскопические величины.
Существование молекул блестяще подтверждается законом кратных отношений. Он гласит: "при образовании из двух элементов различных соединений (веществ) массы одного из элементов в разных соединениях относятся как целые числа, т.е. находятся в кратных отношениях ". Например, азот и кислород дают пять соединений: N 2 O, N 2 O 2 , N 2 O 3 , N 2 O 4 , N 2 O 5 . В них с одним и тем же количеством азота кислород вступает в соединение в количествах, находящихся между собой в кратных отношениях 1:2:3:4:5. Закон кратных отношений легко объяснить. Всякое вещество состоит из одинаковых молекул, имеющих соответствующий атомный состав. Так как все молекулы данного вещества одинаковы, то отношение весовых количеств простых элементов, входящих в состав всего тела, такое же, как и в отдельной молекуле, и, значит, является кратным атомных весов, что и подтверждается опытом.
Наличие промежутков между молекулами следует, например, из опытов смещения различных жидкостей: объем смеси всегда меньше суммы объемов смешанных жидкостей.
Приведем некоторые из доказательств беспорядочного (хаотического) движения молекул:
а) стремление газа занять весь предоставленный ему объем (распространение пахучего газа по всему помещению);
б) броуновское движение - беспорядочное движение мельчайших видимых в микроскоп частиц вещества, находящихся во взвешенном состоянии и нерастворимых в ней. Это движение происходит под действием беспорядочных ударов молекул, окружающей жидкости, находящихся в постоянном хаотическом движении;
в) диффузия - взаимное проникновение молекул соприкасающихся веществ. При диффузии молекулы одного тела, находясь в непрерывном движении, проникают в промежутки между молекулами другого соприкасающегося с ним тела и распространяются между ними. Диффузия проявляется во всех телах - в газах, жидкостях и твердых телах, - но в разной степени.
Диффузию в газах можно наблюдать если сосуд с пахучим газом открыть в помещении. Через некоторое время газ распространится по всему помещению.
Диффузия в жидкостях происходит значительно медленнее, чем в газах. Например, в стакан нальем раствор медного купороса, а затем, очень осторожно добавим слой воды и оставим стакан в помещении с постоянной температурой и где он не подвергается сотрясениям. Через некоторое время будем наблюдать исчезновение резкой границы между купоросом и водой, а через несколько дней жидкости перемешаются, несмотря на то, что плотность купороса больше плотности воды. Так же диффундирует вода со спиртом и прочие жидкости.
Диффузия в твердых телах происходит еще медленнее, чем в жидкостях (от нескольких часов до нескольких лет). Она может наблюдаться только в хорошо пришлифованных телах, когда расстояния между поверхностями пришлифованных тел близки к расстояниям между молекулами (10 -8 см). При этом скорость диффузии увеличивается при повышении температуры и давления.
Разновидностью диффузии является ОСМОС - проникновение жидкостей и растворов через пористую перегородку. Диффузия и осмос играют большую роль в природе и технике. В природе благодаря диффузии осуществляется питание растений из почвы. Организм человека и животных всасывает через стенки пищеварительного тракта питательные вещества. В технике с помощью диффузии поверхностный слой металлических изделий насыщается углеродом (цементация).
Доказательства силового взаимодействия молекул:
а) деформация тел под влиянием силового воздействия;
б) сохранение формы твердыми телами;
в) поверхностное натяжение жидкостей и, как следствие, явление смачивания и капиллярности.
Между молекулами существуют одновременно силы притяжения и силы отталкивания (рис. 1). При малых расстояниях между молекулами преобладают силы отталкивания. По мере увеличения расстояния r между молекулами, как силы притяжения, так и силы отталкивания убывают, причем силы отталкивания убывают быстрее. Поэтому при некотором значении r 0 (расстояние между молекулами) силы притяжения и силы отталкивания взаимно уравновешиваются.
Если условиться отталкивающим силам приписывать положительный знак, а силам притяжения - отрицательный и произвести алгебраическое сложение сил отталкивания и притяжения, то получаем график, изображенный на рис. 2.
На рис. 3 дан график зависимости потенциальной энергии взаимодействия молекул от расстояния между ними. Расстояние r 0 между молекулами соответствует минимуму их потенциальной энергии (рис. 3).
Для изменения расстояния между молекулами в ту или другую сторону требуется затратить работу против преобладающих сил притяжения или отталкивания. На меньших расстояниях (рис. 2) кривая круто поднимается вверх; эта область соответствует сильному отталкиванию молекул (обусловленному главным образом кулоновским отталкиванием сближающихся ядер). На больших расстояниях молекулы притягиваются. Расстояние r 0 соответствует устойчивому равновесному взаимному положению молекул. Из рис. 2 видно, что при увеличении расстояния между молекулами, преобладающие силы притяжения восстанавливают равновесное положение, а при уменьшении расстояние между ними равновесие восстанавливается преобладающими силами отталкивания.
Современные экспериментальные методы физики (рентгеноструктурный анализ, наблюдения с помощью электронного микроскопа и др.) позволили наблюдать микроструктуру веществ.
2. Размеры молекул
· Число граммов вещества, равное молекулярному весу этого вещества, называется грамм-молекулой или молем. Например, 2 г водорода составляет грамм-молекулу водорода; 32 г кислорода составляют грамм-молекулу кислорода. Масса одного моля вещества называется молярной массой этого вещества. Обозначается через m. Для водорода; для кислорода; для азота и т.д.
Число молекул, содержащихся в одном моле разных веществ одинаково и называется числом Авогадро (N A): .
Число Авогадро чрезвычайно велико. Чтобы почувствовать его колоссальность, представьте себе, что в Черное море высыпали число булавочных головок (диаметр каждой около 1 мм), равное числу Авогадро. При этом оказалось бы, что в Черном море уже не остается места для воды: оно не только до краев, но и большим избытком оказалось бы заполненным этими булавочными головками. Авогадровым числом булавочных головок можно было бы засыпать площадь, равную, например, территории Франции, слоем толщиной около 1 км. И такое огромное число отдельных молекул содержится всего лишь в 18 г воды; в 2 г водорода и т.д.
Установлено, что в 1 см 3 любого газа при нормальных условиях (т.е. при 0 0 С и давлении 760 мм. рт. ст.) содержится 2,710 19 молекул.
Если взять число кирпичей, равное этому числу, то, будучи плотно уложенными, эти кирпичи покрыли бы поверхность всей суши Земного шара слоем высотой 120 м. Кинетическая теория газов позволяет вычислить лишь длину свободного пробега молекулы газа (т.е. среднее расстояние, которое проходит молекула от столкновения до столкновения с другими молекулами) и диаметр молекулы.
Приводим некоторые результаты этих вычислений.
Диаметры отдельных молекул - величины малые. При увеличении в миллион раз молекулы были бы величиной с точку типографского шрифта этой книжки. Обозначим через m - массу газа (любого вещества). Тогда отношение дает число молей газа.
Число молекул газа n можно выразить:
Число молекул в единице объема n 0 будет равно:
где: V - объем газа.
Массу одной молекулы m 0 можно определить по формуле:
Относительной массой молекулы m отн называется величина, равная отношению абсолютной массы молекулы m 0 к 1/12 массы атома углерода m oc . молекулярная кинетическая газ закон
m oc = 210 -26 кг.
3. Микро - и макропараметры системы
Рассмотрим систему, состоящую из очень большого числа молекул n. Например, такой системой может быть газ.
В данный момент времени каждая молекула газа имеет свою энергию, скорость, направление движения, определенную массу и размеры. Величины, которые определяют поведение одной частицы в системе, носят название микропараметров. Микропараметры одной частицы могут меняться без внешних воздействий на систему. Например, скорости молекул газа могут непрерывно изменяться за счет столкновений между ними.
Величины, которые изменяются за счет внешних воздействий на систему, называются макропараметрами. К ним относятся: объем V, давление Р, температура Т.
Объем V - это область пространства, занимаемая телом. В Си измеряется в м 3 . 1 л = 10 -3 м 3 .
Давление Р - скалярная физическая величина, характеризующая распределение силы по поверхности и равная проекции силы на направление нормали к площадке, на которую сила действует, и отнесенная к единице этой площади. При равномерном распределении силы F по плоской поверхности площадью S давление равно:
где F n - проекция силы F на нормаль к площади S. В Си единица давления - Паскаль = Па = . Внесистемная единица - мм. рт. ст. Нормальное давление равно одной физической атмосфере. 1 физическая атмосфера = 1 атм = 760 мм. рт. ст, 1 техническая атмосфера = 1 ат = 736 мм. рт. ст. 1 мм. рт. ст. = 133 Па.
Температура Т - параметр состояния, характеризующий степень нагретости тела и связанный с понятием теплового равновесия. Два тела, изолированные от окружающих тел, но имеющие возможность обмениваться энергией друг с другом, находятся в тепловом равновесии, если их термодинамические состояния не изменяются со временем. Телам, находящимся в тепловом равновесии друг с другом, приписывается одна и та же температура. Различают термодинамическую (абсолютную) температуру ТК и температуру Цельсия t 0 C. Связь между ними:
Абсолютную температуру в Си измеряют в градусах по шкале Кельвина.
Если два тела находятся в тепловом равновесии, то средние значения кинетической энергии поступательного движения частиц этих тел будут одинаковы.
Известно, что
3/2 kT (для одной частицы) (5),
где k - постоянная Больцмана; . Из формулы (5) следует:
Таким образом, термодинамическая температура с молекулярно-кинетической точки зрения - физическая величина, характеризующая интенсивность хаотического, теплового движения всей совокупности частиц системы и пропорциональная средней кинетической энергии поступательного движения одной частицы.
Обратите внимание:
1) из (6) следует, что при = 0 и Т= 0;
2) температура, при которой прекращается хаотическое движение частиц тела, называется абсолютным нулем. При Т = 0 прекращается только тепловое движение. Другие (нетепловые) формы движения будут наблюдаться и при абсолютном нуле.
4. Основные уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления
Газ называют идеальным, если:
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) столкновения молекул газа со стенками сосуда абсолютно упругие.
Реальные газы (например, кислород и гелий) в условиях, близких к нормальным, а также при низких давлениях и высоких температурах близки к идеальным газам. Частицы идеального газа в промежутках между столкновениями движутся равномерно и прямолинейно. Давление газа на стенки сосуда можно рассматривать как ряд быстро следующих ударов газовых молекул о стенку. Рассмотрим, как вычислить давление, вызванное отдельными ударами. Представим себе, что по некоторой поверхности происходит ряд отдельных и частых ударов. Найдем такую среднюю постоянную силу
где t 1 , t 2 , t 3 ... t n - время взаимодействия первой, второй, ..., n-й молекул со стенкой (т.е. длительность удара); f 1 , f 2 , f 3 ... f n - силы удара молекул о стенку. Из этой формулы следует, что:
Средняя сила давления, вызванная рядом отдельных ударов о некоторую поверхность, численно равна сумме импульсов всех ударов, полученных этой поверхностью за единицу времени.
Найдем среднюю силу давления
Найдем импульс силы, от удара одной (первой) молекулы по правой грани куба. Пусть молекула движется со скоростью V1 вдоль оси X. При упругом ударе о грань она отталкивается с такой же по модулю скоростью, но с обратным знаком. Импульс молекулы до удара (m0v1), а после удара равен (-m0v1). Изменение импульса молекулы за один удар о грань равно (2m0v1). Подсчитаем число ударов, сделанных молекулой о грань за единицу времени (t = 1 с). От удара до следующего удара об одну и ту же грань молекула пролетает вдоль оси Х расстояние, равное удвоенной длине ребра куба 2l, т.к. ей надо пролететь до противоположной грани и вернуться обратно. За одну секунду молекула произведет (v1/2) ударов. Изменение импульса молекулы за все удары (за 1 сек) можно найти как
Импульс силы f 1 t 1 , полученный молекулой от грани за все удары в течение секунды, равен изменению ее импульса, т.е.
Такой же импульс получила грань от ударов молекулы. Обозначим число молекул, движущихся вдоль оси Х, через
Аналогично, различные молекулы, двигаясь с другими скоростями сообщают грани импульсы.
Умножим и разделим правую часть равенства (8) на n" . Тогда получим:
Сумма квадратов скоростей движущихся молекул, деленная на их число, равна квадрату средней квадратичной скорости
Используя выражение (10), формулу (9) запишем в виде:
или, учитывая, что (11)
Давление газа р определяется силой, действующей на единицу площади (площадь грани куба с ребром l равна l 2).
или, используя формулу (11) запишем:
Объем куба:
Такой же объем занимает газ. Поэтому:
Формула (12) есть основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления. Сделанный вывод для сосуда в форме куба оказывается справедливым для сосуда любой формы.
Уравнение (12) можно записать иначе. Отношение:
(число молекул в единице объема или концентрация молекул). Умножим и разделим правую часть равенства (12) на 2. Тогда получим:
Эта величина есть средняя кинетическая энергия поступательного движения одной газовой молекулы. Окончательно имеем:
Учитывая, что:
Таким образом, формулы (12), (13), (14) выражают основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа для давления.
5. Скорости газовых молекул
Формулу (12) можно записать в виде:
(масса газа).
Из выражения (15) вычислим среднюю квадратичную скорость движения молекул газа:
Зная, что:
(R-универсальная газовая постоянная; R=8,31), получим новые выражения для определения
Опытное определение скоростей движения молекул паров серебра впервые был проведен в 1920 г Штерном.
Из стеклянного цилиндра Е выкачивался воздух (рис. 5). Внутри этого цилиндра помещался второй цилиндр Д, имеющий с ним общую ось О. Вдоль образующей цилиндра Д имелся прорез в виде узкой щели С. По оси протягивалась посеребренная платиновая проволока, по которой можно было пропускать ток. При этом проволока раскалялась и серебро с ее поверхности обращалось в пар. Молекулы паров серебра разлетались в различные стороны, часть их проходила через щель С цилиндра Д и на внутренней поверхности цилиндра Е получался налет серебра в виде узкой полоски. На рис. 5 положение полоски серебра отмечено буквой А.
Когда вся система приводилась в очень быстрое движение таким образом, что проволока являлась осью вращения, то полоска А на цилиндре Е получилась смещенной в сторону, т.е. например, не в точке А, а в точке В. Это происходило потому, что пока молекулы серебра пролетали путь СА, точка А цилиндра Е успевала повернуться на расстояние АВ и молекулы серебра попадали не в точку А, а в точку В.
Обозначим величину смещения серебряной полоски АВ = d; радиус цилиндра Е через R, радиус цилиндра Д через r, а число оборотов всей системы в секунду через n.
За один оборот системы точка А на поверхности цилиндра Е пройдет путь, равный длине окружности 2pR, а за 1 секунду она пройдет путь
Время t, в течение которого точка А переместилась на расстояние АВ = d, будет равно:
За время t молекулы паров серебра пролетали расстояние:
Скорость их движения v может быть найдена, как пройденный путь, деленный на время:
или, заменяя t, получим:
Налет серебра на стенке цилиндра Д получался размытым, что подтверждало наличие различных скоростей движения молекул. Из опыта можно было определить наиболее вероятную скорость v вер, которая соответствовала наибольшей толщине налета серебра.
По вычислениям Максвелла средняя арифметическая скорость движения молекул равна:
6. Энергия поступательного движения молекул газа
Кинетическая энергия, которой обладают n молекул газа при некоторой температуре Т вследствие своего поступательного движения равна:
Из основной формулы кинетической теории (12) следует, что
Разделив (20) на (21), получим:
и запишем
Если газ взят в количестве одного моля, то:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной газовой молекулы:
При одной и той же температуре средняя энергия поступательного движения молекул любого газа одна и та же.
7. Уравнение состояния идеального газа - уравнение Менделеева-Клапейрона
Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории (см. формулу (14)) следует закон Авогадро: в равных объемах разнородных газов при одинаковых условиях (одинаковой температуре и одинаковом давлении) содержится одинаковое число молекул:
(для одного газа),
(для другого газа).
Если V 1 = V 2 ; Т 1 = Т 2 ; r 1 = r 2 , то n 01 = n 02 .
Напомним, что единицей количества вещества в системе СИ является моль (грамм-молекула) масса m одного моля вещества называется молярной массой этого вещества. Число молекул, содержащихся в одном моле разных веществ одинаково и называется число Авогадро (N A = 6,0210 23 1/моль).
Запишем уравнение состояния идеального газа для одного моля:
где V m - объем одного моля газа;
где V m - объем одного моля газа; (универсальная газовая постоянная).
Окончательно имеем:
Уравнение (26) называется уравнением Клапейрона (для одного моля газа). При нормальных условиях (р = 1,01310 5 Па и Т = 273,15 0 К) молярный объем любого газа V m = 22,410 -3 . Из формулы (26) определим
От уравнения (26) для моля газа можно перейти к уравнению Менделеева-Клапейрона для любой массы газа m. Отношение дает число молей газа. Левую и правую части неравенства (26) умножим на. Имеем
Объем газа).
Окончательно запишем:
Уравнение (27) - уравнение Менделеева-Клапейрона. В это уравнение можно внести плотность газа:
В формуле (27) заменим V и получим:
8. О пытные газовые законы. Давление смеси идеальных газов (закон Дальтона)
Опытным путем, задолго до появления молекулярно-кинетической теории, был открыт целый ряд законов, описывающих равновесные изопроцессы в идеальном газе. Изопроцесс - это равновесный процесс, при котором один из параметров состояния не изменяется (постоянен). Различают изотермический (T = const), изобарический (p = const), изохорический (V = const) изопроцессы. Изотермический процесс описывается законом Бойля-Мариотта: "если в ходе процесса масса и температура идеального газа не изменяются, то произведение давления газа на его объем есть величина постоянная PV = const (29). Графическое изображение уравнения состояния называют диаграммой состояния. В случае изопроцессов диаграммы состояния изображаются двумерными (плоскими) кривыми и называются соответственно изотермами, изобарами и изохорами.
Изотермы, соответствующие двум разным температурам, приведены на рис. 6.
Изобарический процесс описывается законом Гей-Люссака: "если в ходе процесса давление и масса идеального газа не изменяются, то отношение объема газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная: (30).
Изобары, соответствующие двум разным давлениям, приведены на рис. 7.
Уравнение изобарического процесса можно записать иначе:
где V 0 - объем газа при 0 0 С; V t - объем газа при t 0 C; t - температура газа в градусах Цельсия; a - коэффициент объемного расширения. Из формулы (31) следует, что
Опыты французского физика Гей-Люссака (1802 г) показали, что коэффициенты объемного расширения всех видов газов одинаковы и, т.е. при нагревании на 1 0 С газ увеличивает свой объем на часть того объема, который он занимал при 0 0 С. На рис. 8 изображен график зависимости объема газа V t от температуры t 0 C.
Изохорический процесс описывается законом Шарля: "если в ходе процесса объем и масса идеального газа не изменяются, то отношение давления газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная: (32).
Изохоры, соответствующие двум разным объемам, приведены на рис. 9.
Уравнение изохорического процесса можно записать иначе:
где - давление газа при С; - давление газа при t; t - температура газа в градусах Цельсия; - температурный коэффициент давления. Из формулы (33) следует, что
Для всех газов и. Если газ нагреть наС (при V=const), то давление газа возрастет на часть того давления, которое он имел при С.
На рис. 10 изображен график зависимости давления газа от температуры t.
Если продолжить прямую AB до пересечения ее с осью x (точка), то значение абциссы этой определиться из формулы (33), если приравнять нулю.
; . Следовательно, при температуре давление газа должно было бы обратиться в нуль, однако, при подобном охлаждении газ не сохранит своего газообразного состояния, а обратиться в жидкость и даже в твердое тело. Температура носит название абсолютного нуля.
В случае механической смеси газов, не вступающих в химические реакции, давление смеси также определяется формулой:
(концентрация смеси равно сумме концентраций компонентов смеси всего n - компонент).
Закон Дальтона гласит: Давление смеси равно сумме пропорциональных давлений газов, образующих смесь.
Давления называется парциальными. Парциальное давление - это давление которое создавал бы данный газ, если бы он один занимал тот сосуд, в котором находится смесь (в том же количестве, в котором он содержится в смеси).
Заключение
В это работе рассмотрена модель идеального газа, приведено основное уравнение молекулярно-кинетической теории и его вывод.
Чтобы объяснить свойства материи в газообразном состоянии, в физике применяется модель идеального газа. Идеальный газ - разреженный, состоящий из одного типа атомов газ, частицы которого не взаимодействуют между собой. Помимо основных положений МКТ эта модель предполагает, что:
· молекулы имеют пренебрежимо малый объем в сравнении с объемом емкости
· при сближении частиц друг с другом и с границами емкости имеют место силы отталкивания;
· газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;
· тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.
Внутренняя энергия идеального газа является функцией его состояния. Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами:
· путем теплообмена;
· путем совершения работы.
Процесс изменения внутренней энергии системы без совершения механической работы называют теплообменом или теплопередачей. Существуют три вида теплопередачи: теплопроводность, конвекция и излучение.
Свойства газов легко сжиматься и расширяться используются во многих технических устройствах: двигателе внутреннего сгорания, паровой турбине, насосах, при проектировании судов и др.
Литература
1. Кинетическая теория газов // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.
2. Гиршфельд Дж, Кертисс Ч., Берд Р. Молекулярная теория газов и жидкостей. - М., 1961 Френкель Я.И. Кинетическая теория жидкостей. Л., 1975 Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М., 1976.
3. Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля М. "Академия", 2010.
4. Мякишев Г.Я. Физика: учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений - М., Просвещение, 2006. - с. 366.
5. Мякишев Г.Я. Физика: учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. - М., Просвещение, 2006. - с. 381.
6. Перельман Я.И. Занимательная физика. - Москва: Наука, 1979. - Т. 2.
7. Элементарный учебник физики / Под ред. Ландсберг Г.С. - Изд. 8-е. - М.: Наука, 1972. - Т. 2. - С. 230-268.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Определение и модель идеального газа. Микроскопические и макроскопические параметры газа и формулы для их расчета. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клайперона). Законы Бойля Мариотта, Гей-Люссака и Шарля для постоянных величин.
презентация , добавлен 19.12.2013
Молекулы идеального газа и скорости их движения. Упрyгoe стoлкнoвeниe мoлeкyлы сo стeнкoй. Опрeдeлeниe числа стoлкнoвeний мoлeкyл с плoщадкoй. Распрeдeлeниe мoлeкyл пo скoрoстям. Вывод формул для давления и энергии. Формула энергии идеального газа.
курсовая работа , добавлен 15.06.2009
Определения молекулярной физики и термодинамики. Понятие давления, основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Уравнение состояния идеального газа (Менделеева - Клапейрона).
презентация , добавлен 06.12.2013
Основные понятия и определения молекулярной физики и термодинамики. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории. Температура и средняя кинетическая энергия теплового движения молекул. Состояние идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).
Изучение корпускулярной концепции описания природы, сущность которой в том, что все вещества состоят из молекул - минимальных частиц вещества, сохраняющих его химические свойства. Анализ молекулярно-кинетической теории газа. Законы для идеальных газов.
контрольная работа , добавлен 19.10.2010
Закон сохранения энергии и первое начало термодинамики. Внешняя работа систем, в которых существенную роль играют тепловые процессы. Внутренняя энергия и теплоемкость идеального газа. Законы Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люссака, уравнение Пуассона.
презентация , добавлен 25.07.2015
Скорости газовых молекул. Понятие о распределении молекул газа по скоростям. Функция распределения Максвелла. Расчет среднеквадратичной скорости. Математическое определение вероятности. Распределение молекул идеального газа. Абсолютное значение скорости.
презентация , добавлен 13.02.2016
Степень нагретости тела. Температура - мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Температура - макроскопический параметр состояния вещества. Основные термометрические параметры.
лабораторная работа , добавлен 16.07.2007
Равновесное состояние идеального газа. Краткая характеристика главных особенностей распределения Максвелла. Барометрическая формула, распределение Больцмана. Микро- и нанозагрязнения. Понятие о термодинамическом равновесии. Внутренняя энергия системы.
презентация , добавлен 29.09.2013
Описание реальных газов в модели идеального газа. Особенности расположения молекул в газах. Описание идеального газа уравнением Клапейрона-Менделеева. Анализ уравнения Ван-дер-Ваальса. Строение твердых тел. Фазовые превращения. Диаграмма состояния.
Идеальный газ (ideal gas) – газ, силами взаимодействия, между молекулами которого можно пренебречь. Или: газ, равновесное состояние которого описывается уравнением Клапейрона и в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия, а объём молекул равен нулю.
Идеальный газ - математическая модель газа, в которой в рамках молекулярно-кинетической теории предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия частиц, составляющих газ, можно пренебречь по сравнению с ихкинетической энергией; 2) суммарный объём частиц газа пренебрежимо мал; 3) между частицами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги; 4) время взаимодействия между частицами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями. В расширенной модели идеального газа частицы, из которого он состоит, имеют форму упругих сфер или эллипсоидов, что позволяет учитывать энергию не только поступательного, но и вращательно-колебательного движения, а также не только центральные, но и нецентральные столкновения частиц. В рамках термодинамики идеальным называется газ, подчиняющийся термическому уравнению состояния Клапейрона - Менделеева.
Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух приатмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В случае экстремальных температур или давлений требуется применение более точной модели, например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами.
Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываютсястатистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми - Дирака или Бозе - Эйнштейна).
Существование атмосферного давления было показано рядом экспериментов в XVII веке. Одним из первых доказательств гипотезы стали магдебургские полушария, сконструированные немецким инженером Герике. Из сферы, образованной полушариями, выкачивался воздух, после чего их было трудно разъединить в силу внешнего давления воздуха. Другой эксперимент в рамках исследования природы атмосферного давления поставил Роберт Бойль. Он состоял в том, что если запаять изогнутую стеклянную трубку с короткого конца, а в длинное колено постоянно подливать ртуть, она не поднимется до верха короткого колена, поскольку воздух в трубке, сжимаясь, будет уравновешивать давление ртути на него. К 1662 году данные опыты позволили прийти к формулировкезакона Бойля - Мариотта.
В 1802 году Гей-Люссаком был впервые опубликован в открытой печати закон объёмов (называемый в русскоязычной литературе законом Гей-Люссака), однако сам Гей-Люссак считал, что открытие было сделаноЖаком Шарлем в неопубликованной работе, относящейся к 1787 году. Независимо от них закон был открыт в 1801 году английским физиком Джоном Дальтоном. Кроме того, качественно закон был описан французом Гийомом Амонтоном в конце XVII века. Впоследствии он уточнил свои эксперименты и установил, что при изменении температуры от 0 до 100 °C объём воздуха линейно увеличивается на 0,375. Проведя аналогичные опыты с другими газами, Гей-Люссак установил, что это число одинаково для всех газов, несмотря на общепринятое мнение, что разные газы расширяются при нагревании различным образом.
В 1834 году из комбинации этих законов Клапейрон смог составить уравнение идеального газа. Тот же закон, уже с использованием молекулярно-кинетической теории был сформулирован Августом Крёнигом в 1856 году и Рудольфом Клаузиусом в 1857 году.
Свойства идеального газа на основе молекулярно-кинетических представлений определяются исходя из физической модели идеального газа, в которой приняты следующие допущения:
В этом случае частицы газа движутся независимо друг от друга, давление газа на стенку равно полному импульсу, переданному при столкновении частиц со стенкой в единицу времени, внутренняя энергия - сумме энергий частиц газа.
По эквивалентной формулировке идеальный газ - такой газ, который одновременно подчиняется закону Бойля - Мариотта и Гей-Люссака, то есть:
,где - давление, - абсолютная температура. Свойства идеального газа описываются уравнением Клапейрона - Менделеева:
, где - универсальная газовая постоянная, - масса, - молярная масса,
,где - концентрация частиц, - постоянная Больцмана.
Подробности Категория: Молекулярно-кинетическая теория Опубликовано 05.11.2014 07:28 Просмотров: 12962Газ - одно из четырёх агрегатных состояний, в которых может находиться вещество.
Частицы, из которых состоит газ, очень подвижны. Они практически свободно и хаотично движутся, периодически сталкиваясь друг с другом подобно биллиардным шарам. Такое столкновение называют упругим столкновением . Во время столкновения они резко изменяют характер своего движения.
Так как в газообразных веществах расстояние между молекулами, атомами и ионами намного превышает их размеры, то между собой эти частицы взаимодействую очень слабо, и их потенциальная энергия взаимодействия очень мала по сравнению с кинетической.
Связи между молекулами в реальном газе сложные. Поэтому также довольно сложно описывать зависимость его температуры, давления, объёма от свойств самих молекул, их количества, скорости их движения. Но задача значительно упрощается, если вместо реального газа рассматривать его математическую модель - идеальный газ .
Предполагается, что в модели идеального газа между молекулами нет сил притяжения и отталкивания. Все они движутся независимо друг от друга. И к каждой из них можно применить законы классической механики Ньютона. А между собой они взаимодействуют только во время упругих столкновений. Время самого столкновения очень мало по сравнению со временем между столкновениями.
Классический идеальный газ
Попробуем представить молекулы идеального газа маленькими шариками, находящимися в огромном кубе на большом расстоянии друг от друга. Из-за этого расстояния они не могут друг с другом взаимодействовать. Следовательно, их потенциальная энергия равна нулю. Но эти шарики двигаются с огромной скоростью. А значит, обладают кинетической энергией. Когда они сталкиваются друг с другом и со стенками куба, они ведут себя как мячики, то есть упруго отскакивают. При этом они меняют направление своего движения, но не меняют скорости. Примерно так выглядит движение молекул в идеальном газе.
- Потенциальная энергия взаимодействия молекул идеального газа настолько мала, что ею пренебрегают по сравнению с кинетической энергией.
- Молекулы в идеальном газе также имеют настолько маленькие размеры, что их можно считать материальными точками. А это означает, что и их суммарный объём также ничтожно мал по сравнению с объёмом сосуда, в котором находится газ. И этим объёмом также пренебрегают.
- Среднее время между столкновениями молекул намного превышает время их взаимодействия при соударении. Поэтому временем взаимодействия пренебрегают также.
Газ всегда принимает форму сосуда, в котором находится. Движущиеся частицы сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Во время удара каждая молекула действует на стенку с некоторой силой в течение очень короткого промежутка времени. Так возникает давление . Суммарное давление газа складывается из давлений всех молекул.
Уравнение состояния идеального газа
Состояние идеального газа характеризуют три параметра: давление , объём и температура . Зависимость между ними описывается уравнением:
где р - давление,
V M - молярный объём,
R - универсальная газовая постоянная,
T - абсолютная температура (градусы Кельвина).
Так как V M = V / n , где V - объём, n - количество вещества, а n = m/M , то
где m - масса газа, М - молярная масса. Это уравнение называется уравнением Менделеева-Клайперона .
При постоянной массе уравнение приобретает вид:
Это уравнение называют объединённым газовым законом .
Используя закон Менделеева-Клайперона, можно определить один из параметров газа, если известны два других.
Изопроцессы
С помощью уравнения объединённого газового закона можно исследовать процессы, в которых масса газа и один из важнейших параметров - давление, температура или объём - остаются постоянными. В физике такие процессы называются изопроцессами .
Из объединённого газового закона вытекают другие важнейшие газовые законы: закон Бойля-Мариотта , закон Гей-Люссака , закон Шарля, или второй закон Гей-Люссака.
Изотермический процесс
Процесс, в котором изменяются давление или объём, но температура остаётся постоянной, называется изотермическим процессом .
При изотермическом процессе T = const, m = const .
Поведение газа в изотермическом процессе описывает закон Бойля-Мариотта . Этот закон открыли экспериментальным путём английский физик Роберт Бойль в 1662 г. и французский физик Эдм Мариотт в 1679 г. Причём сделали они это независимо друг от друга. Закон Бойля-Мариотта формулируется следующим образом: В идеальном газе при постоянной температуре произведение давления газа на его объём также постоянно .
Уравнение Бойля-Мариотта можно вывести из объединённого газового закона. Подставив в формулу Т = const , получаем
p · V = const
Это и есть закон Бойля-Мариотта . Из формулы видно, что давление газа при постоянной температуре обратно пропорционально его объёму . Чем выше давление, тем меньше объём, и наоборот.
Как объяснить это явление? Почему же при увеличении объёма газа его давление становится меньше?
Так как температура газа не меняется, то не меняется и частота ударов молекул о стенки сосуда. Если увеличивается объём, то концентрация молекул становится меньше. Следовательно, на единицу площади придётся меньшее количество молекул, которые соударяются со стенками в единицу времени. Давление падает. При уменьшении объёма число соударений, наоборот, возрастает. Соответственно растёт и давление.
Графически изотермический процесс отображают на плоскости кривой, которую называют изотермой . Она имеет форму гиперболы .
Каждому значению температуры соответствует своя изотерма. Чем выше температура, тем выше расположена соответсвующая ей изотерма.
Изобарный процесс
Процессы изменения температуры и объёма газа при постоянном давлении, называются изобарными . Для этого процесса m = const, P = const.
Зависимость объёма газа от его температуры при неизменяющемся давлении также была установлена экспериментальным путём французским химиком и физиком Жозефом Луи Гей-Люссаком , опубликовавшем его в 1802 г. Поэтому её называют законом Гей-Люссака : " Пр и постоянном давлении отношение объёма постоянной массы газа к его абсолютной температуре является постоянной величиной".
При Р = const уравнение объединённого газового закона превращается в уравнение Гей-Люссака .
Пример изобарного процесса - газ, находящийся внутри цилиндра, в котором перемещается поршень. При повышении температуры растёт частота ударов молекул о стенки. Увеличивается давление, и поршень приподнимается. В итоге увеличивается объём, занимаемый газом в цилиндре.
Графически изобарный процесс отображается прямой линией, которая называется изобарой .
Чем больше давление в газе, тем ниже расположена на графике соответствующая изобара.
Изохорный процесс
Изохорным, или изохорическим, называют процесс изменения давления и температуры идеального газа при постоянном объёме.
Для изохорного процесса m = const, V = const.
Представить такой процесс очень просто. Он происходит в сосуде фиксированного объёма. Например, в цилиндре, поршень в котором не двигается, а жёстко закреплён.
Изохорный процесс описывается законом Шарля : «Для данной массы газа при постоянном объёме его давление пропорционально температуре ». Французский изобретатель и учёный Жак Александр Сезар Шарль установил эту зависимость с помощью экспериментов в 1787 г. В 1802 г. её уточнил Гей-Люссак. Поэтому этот закон иногда называют вторым законом Гей-Люссака.
При V = const из уравнения объединённого газового закона получаем уравнение закона Шарля, или второго закона Гей-Люссака .
При постоянном объёме давление газа увеличивается, если увеличивается его температура .
На графиках изохорный процесс отображается линией, которая называется изохорой .
Чем больше объём занимаемый газом, тем ниже расположена изохора, соответствующая этому объёму.
В реальности ни один параметр газа невозможно поддерживать неизменным. Это возможно сделать лишь в лабораторных условиях.
Конечно, в природе идеального газа не существует. Но в реальных разреженных газах при очень низкой температуре и давлении не выше 200 атмосфер расстояние между молекулами намного превышает их размеры. Поэтому их свойства приближаются к свойствам идеального газа.
