Чему равно давление газа на стенки сосуда емкостью 10 л

Давление газа – формула. Формула давления газа в сосуде

Давление является одним из трех основных термодинамических макроскопических параметров любой газовой системы. В данной статье рассмотрим формулы давления газа в приближении идеального газа и в рамках молекулярно-кинетической теории.

Идеальные газы

Каждый школьник знает, что газ является одним из четырех (включая плазму) агрегатных состояний материи, в котором частицы не имеют определенных положений и движутся хаотичным образом во всех направлениях с одинаковой вероятностью. Исходя из такого строения, газы не сохраняют ни объем, ни форму при малейшем внешнем силовом воздействии на них.

В любом газе средняя кинетическая энергия его частиц (атомов, молекул) больше, чем энергия межмолекулярного взаимодействия между ними. Кроме того, расстояния между частицами намного превышают их собственные размеры. Если молекулярными взаимодействиями и размерами частиц можно пренебречь, тогда такой газ называется идеальным.

В идеальном газе существует лишь единственный вид взаимодействия – упругие столкновения. Поскольку размер частиц пренебрежимо мал в сравнении с расстояниями между ними, то вероятность столкновений частица-частица будет низкой. Поэтому в идеальной газовой системе существуют только столкновения частиц со стенками сосуда.

Все реальные газы с хорошей точностью можно считать идеальными, если температура в них выше комнатной, и давление не сильно превышает атмосферное.

Причина возникновения давления в газах

Прежде чем записать формулы расчета давления газа, необходимо разобраться, почему оно возникает в изучаемой системе.

Согласно физическому определению, давление – это величина, равная отношению силы, которая перпендикулярно воздействует на некоторую площадку, к площади этой площадки, то есть:

Выше мы отмечали, что существует только один единственный тип взаимодействия в идеальной газовой системе – это абсолютно упругие столкновения. В результате них частицы передают количество движения Δp стенкам сосуда в течение времени соударения Δt. Для этого случая применим второй закон Ньютона:

Именно сила F приводит к появлению давления на стенки сосуда. Сама величина F от столкновения одной частицы является незначительной, однако количество частиц огромно (≈ 10 23 ), поэтому они в совокупности создают существенный эффект, который проявляется в виде наличия давления в сосуде.

Формула давления газа идеального из молекулярно-кинетической теории

При объяснении концепции идеального газа выше были озвучены основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ). Эта теория основывается на статистической механике. Развита она была во второй половине XIX века такими учеными, как Джеймс Максвелл и Людвиг Больцман, хотя ее основы заложил еще Бернулли в первой половине XVIII века.

Согласно статистике Максвелла-Больцмана, все частицы системы движутся с различными скоростями. При этом существует малая доля частиц, скорость которых практически равна нулю, и такая же доля частиц, имеющих огромные скорости. Если вычислить среднюю квадратичную скорость, то она примет некоторую величину, которая в течение времени остается постоянной. Средняя квадратичная скорость частиц однозначно определяет температуру газа.

Применяя приближения МКТ (невзаимодействующие безразмерные и хаотично перемещающиеся частицы), можно получить следующую формулу давления газа в сосуде:

Здесь N – количество частиц в системе, V – объем, v – средняя квадратичная скорость, m – масса одной частицы. Если все указанные величины определены, то, подставив их в единицах СИ в данное равенство, можно рассчитать давление газа в сосуде.

Формула давления из уравнения состояния

В середине 30-х годов XIX века французский инженер Эмиль Клапейрон, обобщая накопленный до него экспериментальный опыт по изучению поведения газов во время разных изопроцессов, получил уравнение, которое в настоящее время называется универсальным уравнением состояния идеального газа. Соответствующая формула имеет вид:

Здесь n – количество вещества в молях, T – температура по абсолютной шкале (в кельвинах). Величина R называется универсальной газовой постоянной, которая была введена в это уравнение русским химиком Д. И. Менделеевым, поэтому записанное выражение также называют законом Клапейрона-Менделеева.

Из уравнения выше легко получить формулу давления газа:

Равенство говорит о том, что давление линейно возрастает с температурой при постоянном объеме и увеличивается по гиперболе с уменьшением объема при постоянной температуре. Эти зависимости отражены в законах Гей-Люссака и Бойля-Мариотта.

Если сравнить это выражение с записанной выше формулой, которая следует из положений МКТ, то можно установить связь между кинетической энергией одной частицы или всей системы и абсолютной температурой.

Давление в газовой смеси

Отвечая на вопрос о том, как найти давление газа и формулы, мы ничего не говорили о том, является ли газ чистым, или речь идет о газовой смеси. В случае формулы для P, которая следует из уравнения Клапейрона, нет никакой связи с химическим составом газа, в случае же выражения для P из МКТ эта связь присутствует (параметр m). Поэтому при использовании последней формулы для смеси газов становится непонятным, какую массу частиц выбирать.

Когда необходимо рассчитать давление смеси идеальных газов, следует поступать одним из двух способов:

Рассчитывать среднюю массу частиц m или, что предпочтительнее, среднее значение молярной массы M, исходя из атомных процентов каждого газа в смеси;
Воспользоваться законом Дальтона. Он гласит, что давление в системе равно сумме парциальных давлений всех ее компонентов.

Пример задачи

Известно, что средняя скорость молекул кислорода составляет 500 м/с. Необходимо определить давление в сосуде объемом 10 литров, в котором находится 2 моль молекул.

Ответ на задачу можно получить, если воспользоваться формулой для P из МКТ:

Здесь содержатся два неудобных для выполнения расчетов параметра – это m и N. Преобразуем формулу следующим образом:

Объем сосуда в кубических метрах равен 0,01 м 3 . Молярная масса молекулы кислорода M равна 0,032 кг/моль. Подставляя в формулу эти значения, а также величины скорости v и количества вещества n из условия задачи, приходим к ответу: P = 533333 Па, что соответствует давлению в 5,3 атмосферы.

Источник

Какое давление на стенки сосуда производят молекулы газа?

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) идеального газа:

Концентрацию молекул газа n находят как отношение числа молекул N к объему газа V:

Произведение массы одной молекулы m0 на количество молекул N по смыслу есть масса газа m, поэтому:

Подставив в эту формулу исходные данные, можно вычислить какое давление на стенки сосуда производят молекулы газа.

Сколько молекул находиться в воде массой 72гр?

m воды = 72 г. Ищем количество молекул N

Определяем молярную массу воды:

Мг = 1*2 + 16 = 18.

М = 18 г/моль.

Тогда количество вещества воды: v = m/M = 72/18 = 4 моль.

Число молекул воды: N = vN(A) = 4*6*10^23 = 24*10^23 молекул.

Где N(A) – число Авогадро.

Ответ: в воде массой 72 г содержится 24*10^23 молекул.

Почему вода не горит? Она же состоит из водорода и кислорода. Водород горит, а без кислорода горение невозможно?

Вода – это уже водород, сгоревший в кислороде. Это продукт горения.

Впрочем, вода може гореть в атмосфере фтора (то есть, если встретится с окислителем, более сильным, чем кислород). Вот уравнение этой реакции:

2F2 + 2H2O -> 4HF + O2.

Какова масса молекулы водорода?

Масса молекулы водорода, состоящей из двух атомов водорода рассчитывается исходя из массы отдельных атомов, путем обычного суммирования двух масс атома водорода.

Масса молекулы водорода, состоящей из двух атомов протия(самого распространенного изотопа водорода), с формулой H2, соответственно, будет равна приблизительно 2,016 а.е.м, где 1 а. е. м. = 1,660 539 066 60(50)⋅10−27 кг. – атомная единица массы, определяемая как 1/12 массы атома углерода-12 в состоянии покоя.

Масса молекулы, состоящей из комбинации двух изотопов водорода, рассчитывается так же с учетом массы отдельных атомов-изотопов, составляющих данную молекулу.

Так же возможна ионизированная форма молекулы водорода, массу которой можно получить тем же способом, затем отнять от неё массу 1 электрона.

Какой объём займёт 1 кг воздуха при 17 градусах и давлении 101.3 кпа?

Воздух при данных условиях можно рассматривать как идеальный газ. Поэтому для решения задачи можно использовать уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа).

pV=(m/M)RT, где p – давление газа, V – объем газа, R – универсальная газовая постоянная, равная 8,31 Дж/(моль*К), m – масса газа, M – молярная масса газа (в данном случае – воздуха), равная 0,029 кг/мол.

Переводим величины в основные единицы СИ

17 градусов = 290 К

101,3 кПа = 101300 Па

Таким образом V = 1 * 8.31 * 290/(0.029 * 101300)

По Эйнштейну, чем ближе тело или частица к скорости света, тем огромнее становится его масса. И вот,в Большом адронном коллайдере, протоны и ионы, движутся почти со скоростью света, и что это значит?

Релятивистской массы нет в природе и, согласно релятивистской механике Эйнштейна, масса остаётся инвариантной и равной массе покоя всегда, независимо от скорости (недоверчивым сюда).

Темп роста энергии частицы (E) с ростом скорости β = v/c (в единицах скорости света c) получен мною здесь. Если тело обладало скоростью β₁ = 0,9 при энергии Е₁, то для достижения скорости β₂ = 0,9. 999 (n девятoк после запятой), потребуется энергия E₂ = (3,16)ⁿ⁻¹⋅Е₁. Получается, что с каждой новой девяткой в величине скорости (β), энергия должна быть увеличена в 3,16 раз. Таким образом, неограниченный рост числа девяток (n) в численном значении скорости (β), приводит к неограниченному росту энергии.

Mаксимальная скорость зарегистрированного материального объекта (протона), ускоренного до околосветовых скоростей в космическом пространстве, равна β = 0,9. 999 (всего 23 девятки), а соответствующая энергия, E

10¹¹ ГэВ. Области в галактиках и механизмы ускорения до этих скоростей пока неизвестны. Максимальные энергии столкновения протонов, достигнутые на ускорителе БАК (LHC) в ЦЕРН, равны 1,3×10⁴ ГэВ, что в системе отсчёта неподвижной мишени соответствует энергии протона = 9×10⁷ ГэВ или скорости протона β = 0,999 999 999 999 9999 (16 девяток). В обоих случаях масса протона остаётся неизменной и равной массе покоя, 0.938 ГэВ.

Согласно релятивистской механике, со скоростью света (β = 1) могут лететь только безмассовые частицы (фотоны), но и у них есть недостаток − они не могут лететь медленнее.

Источник

определите давление газа на стенки сосуда емкостью 10 л, если суммарная кинетическая энергия молекул газа равна 3 кДЖ

Дано U=300 Дж V=10л=0,01 м3 P- ?

если газ идеальный то U=E*N=3*m*R*T/2=3*P*V/2

Другие вопросы из категории

землей 14,1 м. Сопротивлением воздуха пренебречь.

С какой линейной скоростью двигалось равномерно тело по кругу радиусом 50 м, если за 10 минут оно совершило 60 оборотов?

одного периода звуковых колебаний с частотой 400Гц.

2)передающая антенна областного телецентра находится на высоте 400 м. На какой высоте нужно расположить приемную антенну в районном центри.виддаленому от областного центра на 90 км.

3)Антенна корабельного радиолокатора находится на высоте 50 м над уровнем моря.Якою должна быть частота излучения импульсов, чтобы дальность обнаружения цели на поверхности воды была максимальной?

Земли R = 6 371 км; Масса Земли М = 5.9 10 кг; Гравитационная постоянная G = 6,67 10(-11степень) H m(2 степень) /кг(2степень) Высоту Н орбиты над поверхностью Земли каждый ученик принимает равной 1 тыс. км 14