Абсолютная температура воздуха в сосуде

1. В однородном магнитном поле по вертикальным направляющим без трения скользит прямой горизонтальный проводник массой 0,2 кг, по которому течёт ток 2 А. Вектор магнитной индукции направлен горизонтально перпендикулярно проводнику (см. рисунок), В = 2 Тл. Чему равна длина проводника, если известно, что ускорение проводника направлено вниз и равно 2 м/с2?

Решение.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, направление которой можно определить по правилу «левой руки» (см. рисунок).

Величина силы Ампера определяется выражением

где – индукция магнитного поля; – сила тока в проводнике; – длина проводника – угол между вектором магнитной индукции и проводником. По условию задачи угол и , поэтому в данном случае

В соответствии с правилом «левой руки», сила Ампера будет направлена вверх, то есть в противоположную сторону силе тяжести, равной , где м/с2 – ускорение свободного падения. Таким образом, перемещение проводника вертикально вниз будет описываться вторым законом Ньютона

где в качестве силы будет выступать сумма силы Ампера и силы тяжести, т.е.

и получаем выражение

откуда

Подставляем числовые значения, получаем длину проводника

метра.

Ответ: 0,4.

2. В однородном магнитном поле по вертикальным направляющим без трения скользит прямой горизонтальный проводник длиной 0,4 м, по которому течёт ток 2 А. Вектор магнитной индукции направлен горизонтально перпендикулярно проводнику (см. рисунок), В = 2 Тл. Чему равна масса проводника, если известно, что ускорение проводника направлено вниз и равно 2 м/с2?

Решение.

Величина силы Ампера определяется выражением

где B – индукция магнитного поля; I – сила тока в проводнике; – длина проводника – угол между вектором магнитной индукции и проводником. При имеем

В соответствии с правило «левой руки» получаем, что сила Амера F направлена вверх и компенсируется силой тяжести проводника , где m – масса проводника; g – ускорение свободного падения. Так как проводник движется вниз с ускорением м/с2, то в соответствии со вторым законом Ньютона, имеем:

и масса проводника равна

Подставляя числовые значения, получаем:

кг.

Ответ: 0,2.

3. На рисунке изображён график изменения состояния одноатомного идеального газа в количестве 20 моль. Какая температура соответствует состоянию 2?

Решение.

Так как прямая 1-2 исходит из точки 0, то зависимость давления от температуры можно записать в виде , где – некоторый коэффициент и из уравнения состояния идеального газа следует , то есть объем газа остается неизменным. При неизменном объеме имеет отношение . Для данного процесса имеет место равенство

где – начальное и конечное давления газа; – начальное и конечное значения температур. Отсюда получаем, что

К.

Ответ: 150.

4. На рисунке изображён график изменения состояния одноатомного идеального газа в количестве 20 моль. Какая температура соответствует состоянию 2, если в состоянии 1 она равна 300 К?

Решение.

Запишем уравнение Менделеева-Клайперона для идеального газа:

где p, V – давление и объем газа; v=20 моль – количество газа; R=8,31 – универсальная газовая постоянная. Так как график исходит из точки 0, то имеем линейную зависимость между давлением и объемом вида , где – некоторый коэффициент. Тогда в точке 1 уравнение примет вид:

В точке 2 имеем:

откуда

К.

Ответ: 1200.

5. Прямолинейный проводник длиной 1 м, по которому течёт ток, равный 3 А, расположен в однородном магнитном поле с индукцией B = 0,4 Тл под углом 30° к вектору B. Каков модуль силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля?

Решение.

Взаимодействие проводника, по которому течет ток I, с магнитным полем можно найти по формуле

где – угол между вектором B и проводником с током I. Подставляя числовые значения, получаем:

Н.

Ответ: 0,6.

6. Прямолинейный проводник, по которому течёт ток, равный 3 А, расположен в однородном магнитном поле с индукцией В = 0,4 Тл под углом 30° к вектору В. Модуль силы, действующей на проводник со стороны магнитного поля, равен 0,3 Н. Какова длина проводника?

Решение.

Взаимодействие проводника, по которому течет ток I, с магнитным полем можно найти по формуле

где – угол между вектором B и проводником с током I. Из этого выражения находим длину провода

и, подставляя числовые значения, получаем:

метра.

Ответ: 0,5.

7. Кусок льда, имеющий температуру 0 °С, помещён в калориметр с электронагревателем. Чтобы превратить этот лёд в воду с температурой 20 °С, требуется количество теплоты 100 кДж. Какая температура установится внутри калориметра, если лёд получит от нагревателя количество теплоты 75 кДж? Теплоёмкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь.

Решение.

Найдем сначала массу льда из уравнения теплового баланса, имеем:

где Дж/кг – удельная теплота плавления льда; Дж/К/кг – удельная теплоемкость воды; К – изменение температуры воды; m – масса льда. Отсюда получаем:

кг.

Теперь определим, будет ли достаточно 75 кДж тепла, чтобы растопить лед массой 0,24 кг, получим:

Дж.

Полученное значение больше величины 75000 Дж, следовательно, 75 кДж не достаточно чтобы растопить лед и в калориметр установится температура 0 градусов.

Ответ: 0.

8. Кусок льда, имеющий температуру 0 °С, помещён в калориметр с электронагревателем. Чтобы превратить этот лёд в воду с температурой 16 °С, требуется количество теплоты 80 кДж. Какая температура установится внутри калориметра, если лёд получит от нагревателя количество теплоты 60 кДж? Теплоёмкостью калориметра и теплообменом с внешней средой пренебречь.

Решение.

Найдем сначала массу льда из уравнения теплового баланса, имеем:

кг.

Теперь определим, будет ли достаточно 60 кДж тепла, чтобы растопить лед массой 0,2 кг, получим:

Дж.

Полученное значение больше величины 60000 Дж, следовательно, 60 кДж не достаточно чтобы растопить лед и в калориметр установится температура 0 градусов.

Ответ: 0.

9. Во время опыта абсолютная температура воздуха в сосуде понизилась в 3 раза, и он перешёл из состояния 1 в состояние 2 (см. рисунок). Кран у сосуда был закрыт неплотно, и сквозь него мог просачиваться воздух. Рассчитайте отношение N2/N1 числа молекул воздуха в сосуде в конце и начале опыта. Воздух считать идеальным газом.

Решение.

Запишем уравнение Менделеева-Клайперона газа в состоянии 1:

где – начальная концентрация молекул воздуха; k – постоянная Больцмана; – начальная температура воздуха. После того как температура воздуха уменьшилась в 3 раза, газ перешел в состояние 2:

Из этих формул найдет отношение , получим:

Ответ: 1.

10. Во время опыта абсолютная температура воздуха в сосуде под поршнем повысилась в 2 раза, и он перешёл из состояния 1 в состояние 2 (см. рисунок). Поршень прилегал к стенкам сосуда неплотно, и сквозь зазор между ними мог просачиваться воздух. Рассчитайте отношение N2/N1 числа молекул воздуха в сосуде в конце и начале опыта. Воздух считать идеальным газом.

Решение.

Запишем уравнение Менделеева-Клайперона газа в состоянии 1:

где – начальная концентрация молекул воздуха; k – постоянная Больцмана; – начальная температура воздуха. После того как температура воздуха увеличилась в 2 раза, газ перешел в состояние 2:

Из этих формул найдет отношение , получим:

Подставляя числовые значения, получаем:

Ответ: 3.

11. При уменьшении абсолютной температуры на 600 К средняя кинетическая энергия теплового движения молекул неона уменьшилась в 4 раза. Какова начальная температура газа?

Решение.

Кинетическая энергия идеального газа в начальный момент времени равна

а в последующий момент времени

Так как , то

Читайте также: Сквозь кожу видно сосуды

В задаче сказано, что , следовательно,

К.

Ответ: 800.

12. При увеличении абсолютной температуры на 600 К средняя кинетическая энергия теплового движения молекул гелия увеличилась в 4 раза. Какова конечная температура газа?

Решение.

Кинетическая энергия идеального газа в начальный момент времени равна

а в последующий момент времени

Так как , то

В задаче сказано, что , следовательно,

К.

Ответ: 800.

13. С идеальным газом происходит циклический процесс, pT-диаграмма которого представлена на рисунке. Наименьший объём, который занимает газ в этом процессе, составляет 60 л. Определите количество вещества этого газа. Ответ округлите до целых.

Решение.

Наименьший объем будет соответствовать наибольшему давлению при наименьшей температуре, то есть при p=200 кПа и T=300 К. Найдем количество вещества газа из уравнения Менделеева-Клапейрона:

откуда

Подставляя м3, R=8,31 и Па, получаем:

моль.

Ответ: 5.

14. С идеальным газом происходит циклический процесс, диаграмма p-V которого представлена на рисунке. Наинизшая температура, достигаемая газом в этом процессе, составляет 360 К. Определите количество вещества этого газа. Ответ округлите до десятых.

Решение.

Самая низкая температура будет достигаться при наименьшем давлении и наименьшем объеме. Из диаграммы видно, что это соответствует величинам p=100 кПа и V=3 л. Найдем количество вещества газа из уравнения Менделеева-Клапейрона:

откуда

Подставляя м3, R=8,31, Па и T=360 К, получаем:

моль.

Ответ: 0,1.

15. Кусок льда опустили в термос с водой. Начальная температура льда 0 °С, начальная температура воды 30 °С. Теплоёмкостью термоса можно пренебречь. При переходе к тепловому равновесию часть льда массой 210 г растаяла. Чему равна исходная масса воды в термосе?

Решение.

Так как лед растаял частично, то тепловое равновесие установилось в точке 0 °С. Следовательно, вода, охлаждаясь до 0 °С передала льду количество теплоты, равное

где – удельная теплоемкость воды; – изменение температуры воды. Из этой формулы следует, что масса воды равна

Величину Q можно найти из условия, что вода растопила 210 грамм льда, то есть сообщила ему теплоту, равную

где Дж/кг – удельная теплота плавления льда; кг – масса льда. Подставляя это выражение в формулу массы воды, имеем:

кг,

что составляет 550 грамм.

Ответ: 550.

16. Кусок льда опустили в термос с водой. Начальная температура льда 0 °С, начальная температура воды 15 °С. Теплоёмкостью термоса можно пренебречь. При переходе к тепловому равновесию часть льда массой 210 г растаяла. Чему равна исходная масса воды в термосе?

Решение.

Так как лед растаял частично, то тепловое равновесие установилось в точке 0 °С. Следовательно, вода, охлаждаясь до 0 °С, передала льду количество теплоты равное

Величину Q можно найти из условия, что вода растопила 210 грамм льда, то есть сообщила ему теплоту, равную

кг,

что составляет 1100 грамм.

Ответ: 1100.

17. В цепи, изображённой на рисунке, идеальный амперметр показывает 8 А. Найдите ЭДС источника, если его внутреннее сопротивление 2 Ом.

Решение.

Из закона Ома для полной цепи ЭДС источника равен

где I – сила тока в цепи; R – внешнее сопротивление цепи; r=2 Ом – внутреннее сопротивление источника тока. Внешнее сопротивление состоит только из сопротивления 5 Ом, так как далее по схеме параллельно соединенные резисторы замыкаются участком провода, не имеющего сопротивления. Следовательно, R=5 Ом и ЭДС источника равен

В.

Ответ: 56.

18. В цепи, изображённой на рисунке, идеальный амперметр показывает 3 А. Найдите внутреннее сопротивление источника, если его ЭДС равно 24 В.

Решение.

Из закона Ома для полной цепи ЭДС источника равен

где I=3 А – сила тока в цепи; R – внешнее сопротивление цепи; r – внутреннее сопротивление источника тока. Отсюда находим внутреннее сопротивление источника тока:

Внешнее сопротивление R состоит только из сопротивления 6 Ом, так как далее по схеме параллельно соединенные резисторы замыкаются участком провода, не имеющего сопротивления. Следовательно, внутреннее сопротивление равно

Ом.

Ответ: 2.

19. На рисунке показан график изменения давления 32 моль газа при изохорном нагревании. Каков объём этого газа? Ответ округлите до десятых.

Решение.

Изохорный процесс – это процесс, протекающий при неизменном объеме. Данный объем можно найти из уравнения Менделеева-Клапейрона

где Па при К, а q=32 моль – количество вещества. Подставляя эти величины в формулу, находим объем:

м3.

Ответ: 0,4.

20. В сосуде объёмом 10 л находится гелий. На рисунке показан график изменения давления гелия при изохорном нагревании. Сколько молей газа находится в сосуде? Ответ округлите до десятых.

Решение.

Изохорный процесс – это термодинамический процесс при постоянном объеме. Так как объем не меняется, то число молей v в газе можно найти из уравнения Менеделеева-Клапейрона

откуда

Из графика видно, что при T=300 К давление равно Па. Подставляя эти значения в формулу (при м3), получаем:

моль.

Ответ: 0,8.

21. Идеальный газ изохорно нагревают так, что его температура изменяется на ∆T = 240 К, а давление — в 1,8 раза. Масса газа постоянна. Найдите конечную температуру газа.

Решение.

Изохорный процесс – это термодинамический процесс при постоянном объеме. Учитывая, что масса газа постоянна, то для данного процесса будет справедливо соотношение:

откуда

По условию задачи отношение давлений , а начальная температура равна К. Подставляя эти значения в последнюю формулу, имеем:

Ответ: 540.

22. Идеальный газ изохорно нагревают так, что его температура изменяется на ∆T = 240 К, а давление — в 1,8 раза. Масса газа постоянна. Найдите начальную температуру газа.

Решение.

откуда

По условию задачи отношение давлений , а конечная температура равна К. Подставляя эти значения в последнюю формулу, имеем:

Ответ: 300.

23. Воздух нагревали в сосуде постоянного объёма. При этом абсолютная температура воздуха в сосуде повысилась в 4 раза, а его давление увеличилось в 2 раза. Оказалось, что кран у сосуда был закрыт плохо, и через него просачивался воздух. Во сколько раз уменьшилась масса воздуха в сосуде?

Решение.

Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для воздуха в сосуде до нагрева:

и после нагрева:

По условию задачи и . Подставляя эти величины во вторую формулу, имеем:

и отношение масс равно

то есть в 2 раза.

Ответ: 2.

24. Воздух нагревали в сосуде постоянного объёма. При этом абсолютная температура воздуха в сосуде понизилась в 4 раза, а его давление уменьшилось в 2 раза. Оказалось, что кран у сосуда был закрыт плохо, и через него просачивался воздух. Во сколько раз увеличилась масса воздуха в сосуде?

Решение.

Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для воздуха в сосуде до охлаждения:

и после охлаждения:

По условию задачи и . Подставляя эти величины в первую формулу, имеем:

и отношение масс равно

то есть в 2 раза.

Ответ: 2.

25. Одноатомный идеальный газ в количестве 0,25 моль при адиабатном расширении совершил работу 2493 Дж. Определите начальную температуру газа, если в этом процессе он охладился до температуры 400 К.

Решение.

Адиабатный процесс – это термодинамический процесс, при котором не происходит обмен теплом с окружающим пространством, то есть Q=0.

Из первого начала термодинамики при Q=0 имеем:

Дж,

где изменение внутренней энергии газа

Так как газ охладился до температуры К, то начальная температура равна

откуда

К.

Ответ: 1200.

26. Одноатомный идеальный газ в количестве 0,25 моль при адиабатном расширении совершил работу 2493 Дж. До какой температуры охладился газ, если его начальная температура была 1200 К?

Решение.

Адиабатный процесс – это термодинамический процесс, при котором не происходит обмен теплом с окружающим пространством. В этом случае первое начало термодинамики можно записать в виде

где v=0,25 моль – количество газа; R=8,31 – универсальная газовая постоянная; ∆T – изменение температуры газа. Найдем изменение температуры:

Зная начальную температуру T1=1200 К, конечная температура равна

К.

Ответ: 400.

27. Для определения удельной теплоёмкости вещества тело массой 450 г, нагретое до температуры 100 °С, опустили в калориметр, содержащий 200 г воды. Начальная температура калориметра с водой 23 °С. После установления теплового равновесия температура тела и воды стала равна 30 °С. Определите удельную теплоёмкость вещества исследуемого тела и округлите до целых. Теплоёмкостью калориметра пренебречь.

Решение.

После установления теплового равновесия, вода массой m=0,2 кг изменила свою температуру с 23 °С до 30 °С, то есть она получила количество теплоты, равное

где – удельная теплоемкость воды. Это же количество теплоты потеряло вещество массой M=0,45 кг при изменении своей температуры со 100 °С до 30 °С:

Приравнивая эти две величины, получаем:

откуда удельная теплоемкость вещества

и равна

Ответ: 187.

28. Тело, нагретое до температуры 100 °С, опустили в калориметр, содержащий 200 г воды. Начальная температура калориметра с водой 23 °С. После установления теплового равновесия температура тела и воды стала равна 30 °С. Определите массу тела, если удельная теплоёмкость вещества, из которого сделано тело, равна 187 Дж/(кг∙К). Теплоёмкостью калориметра пренебречь. Ответ округлите до сотых.

Решение.

где – удельная теплоемкость воды. Это же количество теплоты потеряло вещество массой M кг при изменении своей температуры со 100 °С до 30 °С:

Приравнивая эти две величины, получаем:

откуда масса вещества

и равна

кг.

Ответ: 0,45.

29. На рисунке представлен график зависимости давления от температуры гелия, занимающего в состоянии 2 объём 8 м3. Какой объём соответствует состоянию 1, если масса гелия не меняется?

Решение.

Для газа гелия неизменной массы для состояний 1 и 2 можно записать равенства

и так как температура в процессе постоянна, то

откуда объем для состояния 1 равен

м3.

Ответ: 2.

30. На рисунке представлен график зависимости давления от температуры гелия, занимающего в состоянии 1 объём 5 м3. Какой объём соответствует состоянию 2, если масса гелия не меняется?

Решение.

Для газа гелия неизменной массы для состояний 1 и 2 можно записать равенства

и так как температура в процессе постоянна, то

откуда объем для состояния 2 равен

м3.

Ответ: 20.

Источник

Random converter

Калькуляторы
Термодинамика — теплота

Калькулятор закона состояния идеального газа (давление–объем–температура–количество)

Калькулятор закона состояния идеального газа определяет одну из четырех величин, входящих в уравнение состояния (давление, объем, температура или количество), если известны три другие величины.

Пример: Рассчитать давление в паскалях в 70-литровом баке работающего на метане автомобиля, если в нем хранится 800 молей метана при 30 °С.

Еще несколько примеров решения задач о состоянии идеального газа под приводится калькулятором.

Выберите неизвестную величину для решения уравнения состояния идеального газа:

PVTn

Абсолютное давление

Объем

Температура

ИЛИ

Поделиться ссылкой на этот калькулятор, включая входные параметры

Для расчета выберите неизвестную величину и введите три известные величины из четырех имеющихся в уравнении состояния газа (давление, объем, температура, количество). Четвертая величина будет рассчитана после нажатия на кнопку Рассчитать. Количество можно ввести в молях или указать молярную массу и массу газа. Для определения молярной массы любого газа можно использовать калькулятор молярной массы. Если нужно определить молярную массу смеси газов, например, сухого воздуха, нужно определить молярные массы каждого газа и умножить их на процентное содержание по массе каждого газа в воздухе.

Примеры решения задач по уравнению состояния идеального газа (уравнению Менделеева — Клапейрона)

Задача 1: Плотность воздуха при нормальных условиях (температура 0 °С и атмосферное абсолютное давление 100 кПа) составляет 1,28 кг/м³. Определить среднюю молярную массу воздуха.

Решение: Поскольку плотность воздуха задана, это означает, что в калькулятор можно ввести массу одного кубического метра воздуха, равную 1,28 кг. Введите в калькулятор данные:

Выберите n (Количество в молях) в селекторе Выберите неизвестную величину.
Введите абсолютное давление P = 100 кПа.
Введите объем V = 1 м³.
Введите температуру T = 0 °C.
Нажмите кнопку Рассчитать.
Калькулятор покажет количество молей в 1 м3 воздуха.
Введите массу воздуха m = 1,28 кг и нажмите кнопку Рассчитать.
Калькулятор рассчитает молярную массу воздуха M = 0,029 кг/моль

Задача 2: Молярная масса газа кислорода (O₂) M = 32 г/моль. Определить абсолютную температуру 128 г. кислорода, находящегося в 10-литровом сосуде под давлением P = 3 МПа.

Решение: Нажмите кнопку Reset и введите в калькулятор данные задачи:

Выберите T (Температура) в селекторе Выберите неизвестную величину.
Введите молярную массу кислорода N = 32 г/моль.
Введите массу кислорода m = 128 г.
Калькулятор рассчитает количество кислорода в молях.
Введите объем V = 4 л и давление P = 3 МПа.
Нажмите кнопку Рассчитать.
Считайте температуру в кельвинах.

Задача 3: В сосуде высокого давления находится газ под давлением P = 0.5 МПа при температуре T = 15 °С. Объем газа V = 5 л. Рассчитать объем этой массы газа при нормальных условиях (P = 100 кПа, T = 0 °С).

Решение: Нажмите кнопку Reset и введите в калькулятор данные задачи:

Выберите T (Температура) в селекторе Выберите неизвестную величину.
Введите давление P = 500 кПа.
Введите температуру T = 15 °C.
Введите объем V = 5 л.
Нажмите кнопку Рассчитать.
Калькулятор рассчитает количество в молях, которое будет использовано в следующем шаге.
Выберите Объем в селекторе Выберите неизвестную величину.
Введите температуру и давление P = 100 kPa, T = 0 °C (нормальные условия) и нажмите кнопку Рассчитать.
Калькулятор рассчитает новый объем газа V = 23.69 л при нормальных условиях.

Задача 4: Рассчитать давление в паскалях в 70-литровом баке работающего на метане автомобиля, если в нем хранится 12,8 кг метана (молярная масса 16 г/моль) при 30 °С.

Определения и формулы

Идеальный газ

Идеальный газ — теоретическая модель, в которой газ представляется в виде множества свободно движущихся частиц бесконечно малого размера, которые взаимодействуют друг с другом абсолютно упруго, то есть при столкновении двух частиц их кинетическая энергия не изменяется и не превращается ни в какую другую форму энергию, например, в потенциальную энергию или в тепло. Считается, что суммарный размер частиц настолько мал, что занимаемый ими объем в сосуде пренебрежимо мал. Эта теоретическая модель полезна, так как она упрощает многие расчеты, а также в связи с тем, что идеальный газ подчиняется законам классической механики. Идеальный газ можно представить себе в виде множества абсолютно твердых сфер, которые только сталкиваются друг с другом и больше никак не взаимодействуют.

В обычных условиях, например, при стандартных условиях (при температуре 273,15 К и давлении в 1 стандартную атмосферу) большинство реальных газов ведут себя как идеальный газ. В общем случае, газ ведет себя как идеальный при низком давлении и высокой температуре, когда расстояния между молекулами газа относительно велики. В этих условиях потенциальная энергия вследствие действия межмолекулярных сил намного меньше кинетической энергии частиц. Размер молекул также незначителен по сравнению с расстоянием между ними. Идеальная модель не работает при низких температурах и высоких давлениях, а также для тяжелых газов. При понижении температуры и повышении давления реальный газ может стать жидкостью или даже перейти в твердое состояние, то есть может произойти фазовый переход. В то же время, модель идеального газа не допускает жидкого или твердого состояния.

Закон идеального газа

Идеальный газ, как и любой другой газ, можно охарактеризовать четырьмя переменными и одной константой, а именно:

давление (P),
объем (V),
количество в молях (n),
температура (T), and
универсальная газовая постоянная (R)

Эти четыре переменные и одна константа объединены в приведенном ниже уравнении, которое называется уравнением состояния идеального газа:

Это уравнение также известно под названием закона идеального газа и уравнения Менделеева — Клапейрона или уравнения Клапейрона, так как уравнение было впервые выведено в 1834 г. французским инженером Эмилем Клапейроном (1799–1864). О вкладе Д. И. Менделеева — чуть ниже. В этом уравнении:

P — абсолютное давление, измеряемое в СИ в паскалях (Па),
V — объем, измеряемый в СИ в кубических метрах (м³),
n — количество вещества (газа) в молях (сокращение моль). Один моль любого вещества в граммах численно равен средней массы одной молекулы в соединении, выраженной в атомных единицах массы. Например, один моль кислорода с атомной массой 16 соответствует 16 граммам. Один моль идеального газа при стандартных условиях занимает 22,4 литра.
T — абсолютная температура.
R — универсальная газовая постоянная, являющаяся физическим коэффициентом пропорциональности уравнения состояния идеального газа.

Приведенное выше уравнение показывает, что при нулевой абсолютной температуре получается нулевой объем. Однако это не означает, что объем реального газа действительно исчезает. При очень низких температурах все газы становятся жидкостями и уравнение идеального газа к ним неприменимо.

Универсальная газовая постоянная соответствует работе, выполненной при расширении одного моля идеального газа при нагревании на 1 К при постоянном давлении. Размерность постоянной — работа на количество вещества на температуру. Постоянная в точности равна 8,31446261815324 Дж⋅К⁻¹⋅моль⁻¹. Универсальная газовая постоянная также определяется как произведение числа Авогадро NA и постоянной Больцмана k:

Входящая в уравнение состояния идеального газа универсальная газовая постоянная была предложена и введена в уравнение Дмитрием Менделеевым в 1877 г. Поэтому уравнение состояния идеального газа в литературе на русском языке и ее переводах на другие языки, называется уравнением Менделеева — Клапейрона.

Количество газа в молях часто бывает удобно заменить массой газа. Количество газа в молях n, его масса m в граммах и молярная масса M в граммах на моль связаны формулой:

Заменяя в уравнении состояния идеального газа n на m/M, имеем:

Для определения молярной массы элемента, его относительная атомная масса умножается на коэффициент молярной массы в кг/моль

Например, молярная масса кислорода в единицах системы СИ

Если ввести в уравнение состояния идеального газа плотность ρ = m/V, мы получим:

Теперь введем понятие удельной газовой постоянной, которая представляет собой отношение универсальной газовой постоянной R к молярной массе M:

Например, удельная газовая постоянная сухого воздуха приблизительно равна 287 Дж·кг⁻¹·К⁻¹. Подставив удельную газовую постоянную в уравнение состояния идеального газа, получим:

Закон идеального газа объединяет четыре более простых эмпирических газовых закона, открытых в XVII–XIX вв. несколькими учеными, которые аккуратно измеряли свойства газа. Простые газовые законы можно также вывести из уравнения состояния идеального газа (PV=nRT). Поскольку в этом уравнении R является постоянной величиной, можно записать

Поскольку PV/NT — постоянная величина, можно записать это иначе:

Здесь индексы 1 и 2 показывают начальное и конечное состояние газа в системе. Мы будем использовать это уравнение ниже при описании четырех газовых законов.

Отметим, что исторически именно эмпирические законы поведения газа, описанные ниже, привели к открытию обобщенного закона состояния идеального газа. Эти законы были открыты несколькими учеными, которые проводили эксперименты, изменяя только две переменные состояния газа и оставляя две другие переменные постоянными.

Закон Бойля — Мариотта (T=const, n=const)

Роберт Бойль

Изменим предыдущее уравнение с учетом, что количество газа в молях n и его температура Т остаются неизменными:

или

Эдм Мариотт

Это закон Бойля — Мариотта, описывающий зависимость объема V фиксированного количества газа в молях n от давления P при постоянной температуре T. Давление фиксированной массы газа при неизменной температуре обратно пропорционально его объему. Закон был сформулирован англо-ирландским химиком и физиком Робертом Бойлем в 1662 г. В России и континентальной Европе это закон называют законом Бойля — Мариотта с учетом вклада в открытие закона французского физика и священника Эдма Мариотта.

Закон Авогадро (T=const, P=const)

Амедео Авогадро

Если температура и давление остаются неизменными, можно записать

Это закон Авогадро, указывающий, что при неизменных температуре и давлении равные объемы любых газов содержат одинаковое количество молекул. Это уравнение показывает, что, если количество газа увеличивается, объем газа пропорционально растет. Иными словами, количество атомов или молекул газа не зависит от их размеров или от молярной массы газа. Закон назван в честь итальянского ученого Амедео Авогадро, который опубликовал гипотезу об отношениях объема газа и его количества в молях в 1811 году. Число Авогадро также носит его имя.

Закон Гей-Люссака (P=const, n=const)

Жак Шарль

При постоянном давлении объем фиксированного количества газа в молях пропорционален абсолютной температуре системы с газом.

В англоязычной литературе этот закон называется законом объемов и законом Шарля. Закон описывает как расширяется любой газ при увеличении его абсолютной температуры. Закон был сформулирован в неопубликованной работе французским ученым Жаком Шарлем в 80-х гг. XVIII в. Его соотечественник Жозеф Луи Гей-Люссак опубликовал этот закон в 1803 г. и указал, что приоритет открытия принадлежит Жаку Шарлю. Поэтому этот закон в литературе не на английском языке часто называют законом Гей-Люссака. В русскоязычной литературе закон носит имя Гей-Люссака. Итальянцы называют этот закон первым законом Гей-Люссака (ит. prima legge di Gay-Lussac).

Закон Шарля (или второй закон Гей-Люссака) (V=const, n=const)

Жозеф Луи Гей-Люссак

Закон Шарля (называемый также вторым законом Гей-Люссака) гласит, что давление фиксированного количества газа в молях при его неизменном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре газа:

Закон был сформулирован Гей-Люссаком в 1802 г. В литературе на других языках этот закон также называют законом Амонтона по имени французского ученого Гийома Амонтона, который на сто лет раньше обнаружил количественную зависимость объема газа от его температуры. Иногда закон называют вторым законом Гей-Люссака и законом Шарля, так как сам Гей-Люссак считал, что закон открыт Шарлем. Закон зависимости давления от температуры был также независимо открыт английским физиком Джоном Дальтоном в 1801 г. Итальянцы называют этот закон вторым законом Вольта–Гей-Люссака (ит. seconda legge di Volta – Gay-Lussac), потому что итальянец Алессандро Вольта независимо проводил исследования газов и получил аналогичные результаты.

При нагревании воздуха в оболочке воздушного шара его плотность уменьшается и становится меньше плотности окружающего воздуха; в результате шар приобретает положительную плавучесть

Источник