Зависимость давления газа от объема сосуда и температуры

Задачи на газовые законы часто предлагаются школьникам на едином государственном экзамене. Для решения этих задач вполне достаточно знать уравнение состояния идеального газа (закон Клапейрона-Менделеева) и уметь использовать его алгебраически и геометрически (для построения графиков зависимости одних параметров газа от других) в простейших ситуациях. Кроме того, нужно понимать, как описываются смеси идеальных газов (закон Дальтона).

Уравнение, связывающее параметры газа друг с другом, называется уравнением состояния. Для идеального газа, взаимодействие молекул которого мало, уравнение состояния имеет вид

где – давление газа, – концентрация молекул газа (число молекул в единице объема), – постоянная Больцмана, – абсолютная (в шкале Кельвина) температура. Учитывая, что , где – число молекул газа, – объем сосуда, в котором находится газ (часто говорят объем газа), получим из (13.1)

Число молекул можно связать с количеством вещества газа : , где – число Авогадро. Поэтому формулу (13.2) можно переписать в виде

где произведение постоянных Авогадро и Больцмана обозначено как . Постоянная = 8,31 Дж/(К•моль) называется универсальной газовой постоянной. Количество вещества газа можно также выразить через его массу и молярную массу этого газа

С учетом (13.3) закон (13.2) можно переписать и в таком виде

Уравнение состояния идеального газа (13.1)-(13.4), которое также называется уравнением (или законом) Клапейрона-Менделеева, позволяет связывать параметры идеального газа и проследить за их изменением в тех или иных процессах.

В школьном курсе физики рассматриваются три изопроцесса, в которых один из трех параметров газа (давление, температура и объем) не изменяется. В изобарическом процессе не изменяется давление газа, в изотермическом – температура, в изохорическом – объем. Изопроцессам отвечают следующие графики зависимости давления от объема, давления от температуры, объема от температуры.

Для изобарического процесса

Первые два графика очевидны. Последний получается так. Из закона Клапейрона-Менделеева следует, что зависимость объема от температуры при постоянном давлении имеет вид

где – постоянная. Графиком функции (13.5) является прямая, продолжение которой проходит через начало координат.

Для изохорического процесса

Второй график следует из соотношения

где – постоянная при постоянном объеме.

Для изотермического процесса

Первый график следует из закона Клапейрона-Менделеева, который при постоянной температуре газа можно привести к виду

где – постоянная. Отсюда следует, что графиком зависимости от в изотермическом процессе является гипербола.

Важнейшее свойство уравнения состояния идеального газа (13.1)-(13.4) заключается в том, что «индивидуальность» газа никак не проявляется в этих законах – единственный параметр собственно газа, входящий в уравнение состояния, – это число молекул. Например, 1 моль гелия и 1 моль азота, находящиеся в одинаковых объемах и имеющие одинаковые температуры, оказывают одинаковое давление. Отсюда следует, что и давление смеси идеальных газов определяется суммарным числом молекул всех компонент смеси:

где – число молекул первой, второй, третьей и т.д. компонент смеси, – постоянная Больцмана, – абсолютная температура смеси, – объем сосуда. Величины , имеющие смысл давления каждой компоненты смеси при условии, что она имела бы такую же температуру и занимала бы весь объем, называются парциальными давлениями компонент. Закон (13.8) называется законом Дальтона. Рассмотрим теперь в рамках этих законов предложенные выше задачи.

В задаче 13.1.1 из уравнения состояния в форме (13.1), получаем для давления в конце процесса :

т.е. давление газа увеличилось в 6 раз (ответ 1).

Применяя закон Клапейрона-Менделеева (13.2) к первому и второму газам (задача 13.1.2), получаем

где – искомый объем. Сравнивая первую и вторую формулы, заключаем, что (ответ 1).

Закон Клапейрона-Менделеева для газа в начальном и конечном состояниях (задача 13.1.3) дает

где – неизвестная температура. Из сравнения этих формул получаем , т.е. температуру газа в сосуде нужно повысить вдвое (ответ 2).

Из закона Клапейрона-Менделеева для начального и конечного состояний газа в задаче 13.1.4 имеем

Отсюда , т.е. количество вещества газа в сосуде увеличилось в 1,25 раза (ответ 3).

Первым, кто понял, почему жидкость поднимается вместе с трубкой (задача 13.1.5), и почему «природа боится пустоты» (Аристотель), но только до определенного предела, был знаменитый итальянский физик, современник Г. Галилея Э. Торричелли. Давайте рассмотрим рассуждения Торричелли подробно. Основная идея Торричелли заключалась в том, что атмосферный воздух оказывает давление на все поверхности, с которыми он контактирует. В равновесии жидкость занимает такое положение, чтобы все воздействия на каждый ее элемент компенсировались. Если бы трубка была открыта (см. левый рисунок), то жидкость не поднялась бы в трубке. Действительно, в этом случае на бесконечно малый элемент жидкости в трубке около поверхности (выделен на рисунке) действовали бы сила со стороны атмосферного воздуха в трубке, направленная вниз. С другой стороны, атмосферный воздух действует и на остальную поверхность жидкости, и это воздействие благодаря закону Паскаля передается выделенному элементу жидкости в трубке снизу. Таким образом, воздействие воздуха на поверхность жидкости в трубке и на свободную поверхность жидкости компенсируют друг друга, если уровень жидкости в трубке совпадает с уровнем жидкости в остальном сосуде. Если же мы поднимаем трубку, выпустив из нее воздух, на рассматриваемый элемент жидкости воздух сверху не действует (его нет в трубке), поэтому воздействие воздуха на свободную поверхность жидкости приведет к тому, что жидкость войдет в трубку и заполнит ее. При вытаскивании трубки жидкость будет подниматься вслед за ней. Однако при дальнейшем поднятии трубки наступит такой момент, когда воздействие воздуха на свободную поверхность и столба жидкости в трубке сравняются (в этот момент атмосферное давление будет равно гидростатическому давлению жидкости в трубке на уровне свободной поверхности). Дальнейший подъем трубки уже не приведет к поднятию жидкости – атмосферное давление не сможет «держать» столб жидкости большей высоты. Для воды этот столб составляет около 10 м, для ртути, с которой и экспериментировал Э. Торричелли, – 76 сантиметров. Таким образом, жидкость в трубке поднимается благодаря давлению атмосферного воздуха на поверхность воды в сосуде и закону Паскаля (ответ 4).

Сравнивая графики процессов 1, 2, 3 и 4, данные в условии задачи 13.1.6, с графиками изопроцессов, приведенными во введении к настоящей главе, заключаем, что: процесс 1 – изотермический, 2 – изохорический, 3 – изобарический. В процесс 4 меняются и давление, и объем, и температура газа (ответ 4).

Изохорическим охлаждением в задаче 13.1.8 является процесс 4 (см. рисунок) В двух последних задачах этого варианта нужно с помощью закона Клапейрона-Менделеева вычислить один из параметров газа, если даны остальные параметры. В задаче 13.1.9 из закона Клапейрона-Менделеева

получим

(ответ 1).

В задаче 13.1.10 при вычислениях следует не забыть перевести температуру газа в Кельвины. Из закона Клапейрона-Менделеева находим

(ответ 1).

Из уравнения состояния в форме (13.2) следует, что при одинаковых объемах и температурах давление идеального газа определяется только полным числом молекул. Поэтому отношение давления водорода и гелия в задаче 13.2.1 равно 2 (ответ 2).

Поскольку перегородка в задаче 13.2.2 подвижная и находится в равновесии, давления газа в отсеках сосуда слева и справа от перегородки равны. Применяя к ним при этом условии закон Клапейрона-Менделеева, получим

где температуры и массы газов по условию одинаковы. Деля эти уравнения друг на друга, находим отношение объемов частей сосуда

(ответ 4).

Если бы точки, отвечающие состояниям 1 и 2 в задаче 13.2.3, лежали на одной прямой, продолжение которой проходит через начало координат, то эти состояния принадлежали бы одной и той же изохоре, и, следовательно, объем газа в этих состояниях был одинаковым (см. формулу (13.6)). Поэтому для сравнения объемов этих состояний построим изохоры, проходящие через точки 1 и 2, и сравним отвечающие им объемы (см. рисунок; изохоры, проходящие через точки 1 и 2, показаны пунктиром).

Из формулы (13.6) следует, что чем больше объем, тем меньше коэффициент перед в зависимости (13.6), и, следовательно, меньше наклон соответствующей изохоры к оси температур. Поэтому изохоре 1 отвечает больший объем, чем изохоре 2, и, следовательно, объем газа в процессе 1-2 уменьшается (ответ 2).

Аналогичные рассуждения в задаче 13.2.4 показывают, что наибольшему давлению отвечает изобара, проходящая через точку (поскольку соответствующая прямая имеет наименьший наклон к оси температур; см. рисунок ниже). Поэтому правильный ответ в этой задаче – 3.

В закон Клапейрона-Менделеева входит абсолютная температура газа, поэтому данные в задаче 13.2.5 значения нужно перевести в Кельвины. В результате для отношения давлений газа в конечном и начальном состояниях получаем

(ответ 4).

Как следует из опыта, при приведении тел в тепловой контакт выравниваются их температуры. Это же касается и частей одного тела или даже компонент смеси газов (задача 13.2.6). Поэтому температуры компонент смеси будут одинаковы (ответ 1). Что касается парциальных давлений, плотностей или концентрации компонент смеси, то их значения зависят от количества молекул каждой компоненты смеси и могут быть различны.

Парциальное давление компонент смеси – это давление, которое оказывают только молекулы каждой компоненты. Как следует из формулы (13.8) парциальное давление любой компоненты можно найти, применяя только к ней закон Клапейрона-Менделеева и считая, что она имеет такую же температуру, как и вся смесь, и занимает такай же объем, как и вся смесь газов. Поэтому отношение парциальных давлений отдельных компонент смеси равно отношению количеств вещества (или числа молекул) этих компонент. Поэтому для отношения парциальных давлений углекислого газа и гелия в сосуде в задаче 13.2.7 имеем (ответ 2).

Как следует из закона Дальтона, давление смеси газов определяется полным количеством молекул в ней. Поэтому для анализа изменения давления смеси газов при протекании в ней химической реакции (задача 13.2.8) необходимо исследовать изменение числа молекул. Гелий не участвует в химической реакции – один моль гелия был и в начальном, и в конечном состоянии смеси. С озоном происходила реакция

т.е. из двух молекул озона в результате реакции получились три молекулы кислорода. Поэтому два моля озона превратились в три моля кислорода, и общее количество вещества смеси стало равно четырем молям. Поэтому давление смеси увеличивается в 4/3 раза (ответ 2).

Поскольку объемы и температуры газов одинаковы (задача 13.2.9), для сравнения их давлений необходимо сравнить число молекул в них. По условию в одном сосуде находится один моль азота, в другом 1 г водорода (т.е. половина моля) и 3 • 1023 молекул гелия (тоже половина моля). Поэтому и в одном и в другом сосуде находятся одинаковые количества молекул, и, следовательно, давление газов в них одинаково (ответ 3).

Плотность газа (задача 13.2.10) можно найти из следующей цепочки формул

(ответ 4). Здесь – масса газа, – масса одной молекулы газа.

Источник

Убе­дим­ся в том, что мо­ле­ку­лы газа дей­стви­тель­но рас­по­ло­же­ны до­ста­точ­но да­ле­ко друг от друга, и по­это­му газы хо­ро­шо сжи­ма­е­мы.Возь­мем шприц и рас­по­ло­жим его пор­шень при­бли­зи­тель­но по­се­ре­дине ци­лин­дра. От­вер­стие шпри­ца со­еди­ним с труб­кой, вто­рой конец ко­то­рой на­глу­хо за­крыт. Таким об­ра­зом, неко­то­рая пор­ция воз­ду­ха будет за­клю­че­на в ци­лин­дре шпри­ца под порш­нем и в труб­ке.В ци­лин­дре под порш­нем за­клю­че­но неко­то­рое ко­ли­че­ство воз­ду­ха. Те­перь по­ста­вим на по­движ­ный пор­шень шпри­ца груз. Легко за­ме­тить, что пор­шень немно­го опу­стит­ся. Это озна­ча­ет, что объем воз­ду­ха умень­шил­ся Дру­ги­ми сло­ва­ми, газы легко сжи­ма­ют­ся. Таким об­ра­зом, между мо­ле­ку­ла­ми газа име­ют­ся до­ста­точ­но боль­шие про­ме­жут­ки. По­ме­ще­ние груза на пор­шень вы­зы­ва­ет умень­ше­ние объ­е­ма газа. С дру­гой сто­ро­ны, после уста­нов­ки груза пор­шень, немно­го опу­стив­шись, оста­нав­ли­ва­ет­ся в новом по­ло­же­нии рав­но­ве­сия. Это озна­ча­ет, что сила дав­ле­ния воз­ду­ха на пор­шень уве­ли­чи­ва­ет­ся и снова урав­но­ве­ши­ва­ет воз­рос­ший вес порш­ня с гру­зом . А по­сколь­ку пло­щадь порш­ня при этом оста­ет­ся неиз­мен­ной, мы при­хо­дим к важ­но­му за­клю­че­нию.

При умень­ше­нии объ­е­ма газа его дав­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Будем пом­нить при этом, что масса газа и его тем­пе­ра­ту­ра в ходе опыта оста­ва­лись неиз­мен­ны­ми. Объ­яс­нить за­ви­си­мость дав­ле­ния от объ­е­ма можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом. При уве­ли­че­нии объ­е­ма газа рас­сто­я­ние между его мо­ле­ку­ла­ми уве­ли­чи­ва­ет­ся. Каж­дой мо­ле­ку­ле те­перь нужно прой­ти боль­шее рас­сто­я­ние от од­но­го удара со стен­кой со­су­да до дру­го­го. Сред­няя ско­рость дви­же­ния мо­ле­кул оста­ет­ся неиз­мен­ной .Сле­до­ва­тель­но, мо­ле­ку­лы газа реже уда­ря­ют­ся о стен­ки со­су­да, а это при­во­дит к умень­ше­нию дав­ле­ния газа. И, на­о­бо­рот, при умень­ше­нии объ­е­ма газа его мо­ле­ку­лы чаще уда­ря­ют­ся о стен­ки со­су­да, и дав­ле­ние газа уве­ли­чи­ва­ет­ся . При умень­ше­нии объ­е­ма газа рас­сто­я­ние между его мо­ле­ку­ла­ми умень­ша­ет­ся

Зависимость давления газа от температуры

В преды­ду­щих опы­тах тем­пе­ра­ту­ра газа оста­ва­лась неиз­мен­ной, и мы изу­ча­ли из­ме­не­ние дав­ле­ния вслед­ствие из­ме­не­ния объ­е­ма газа. Те­перь рас­смот­рим слу­чай, когда объем газа оста­ет­ся по­сто­ян­ным, а тем­пе­ра­ту­ра газа из­ме­ня­ет­ся. Масса при этом также оста­ет­ся неиз­мен­ной. Со­здать такие усло­вия можно, по­ме­стив неко­то­рое ко­ли­че­ство газа в ци­линдр с порш­нем и за­кре­пив пор­шень

Из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры дан­ной массы газа при неиз­мен­ном объ­е­ме

Чем выше тем­пе­ра­ту­ра, тем быст­рее дви­жут­ся мо­ле­ку­лы газа.

Сле­до­ва­тель­но,

– во-пер­вых, чаще про­ис­хо­дят удары мо­ле­кул о стен­ки со­су­да;

– во-вто­рых, сред­няя сила удара каж­дой мо­ле­ку­лы о стен­ку ста­но­вит­ся боль­ше. Это при­во­дит нас к еще од­но­му важ­но­му за­клю­че­нию. При уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры газа его дав­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся. Будем пом­нить, что дан­ное утвер­жде­ние спра­вед­ли­во, если масса и объем газа в ходе из­ме­не­ния его тем­пе­ра­ту­ры оста­ют­ся неиз­мен­ны­ми.

Хранение и транспортировка газов.

За­ви­си­мость дав­ле­ния газа от объ­е­ма и тем­пе­ра­ту­ры часто ис­поль­зу­ет­ся в тех­ни­ке и в быту. Если тре­бу­ет­ся пе­ре­вез­ти зна­чи­тель­ное ко­ли­че­ство газа из од­но­го места в дру­гое, или когда газы необ­хо­ди­мо дли­тель­но хра­нить, их по­ме­ща­ют в спе­ци­аль­ные проч­ные ме­тал­ли­че­ские со­су­ды. Эти со­су­ды вы­дер­жи­ва­ют вы­со­кие дав­ле­ния, по­это­му с по­мо­щью спе­ци­аль­ных на­со­сов туда можно за­ка­чать зна­чи­тель­ные массы газа, ко­то­рые в обыч­ных усло­ви­ях за­ни­ма­ли бы в сотни раз боль­ший объем. По­сколь­ку дав­ле­ние газов в бал­ло­нах даже при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре очень ве­ли­ко, их ни в коем слу­чае нель­зя на­гре­вать или любым спо­со­бом пы­тать­ся сде­лать в них от­вер­стие даже после ис­поль­зо­ва­ния.

Газовые законы физики.

Физика реального мира в расчетах часто сводится к несколько упрощенным моделям. Наиболее применим такой подход к описанию поведения газов. Правила, установленные экспериментальным путем, были сведены различными исследователями в газовые законы физики и послужили появлению понятия «изопроцесс». Это такое прохождение эксперимента, при котором один параметр сохраняет постоянное значение. Газовые законы физики оперируют основными параметрами газа, точнее, его физического состояния. Температурой, занимаемым объемом и давлением. Все процессы, которые относятся к изменению одного или нескольких параметров и называются термодинамическими. Понятие изостатического процесса сводится к утверждению, что во время любого изменения состояния один из параметров остается неизменным. Это поведение так называемого «идеального газа», которое, с некоторыми оговорками, может быть применено к реальному веществу. Как отмечено выше, в реальности все несколько сложнее. Однако, с высокой достоверностью поведение газа при неизменной температуре характеризуется с помощью закона Бойля-Мариотта, который гласит:

Произведение объема на давление газа – величина постоянная. Это утверждение считается верным в том случае, когда температура не изменяется.

Этот процесс носит название «изотермический». При этом меняются два из трех исследуемых параметров. Физически все выглядит просто. Сожмите надутый шарик. Температуру можно считать неизменной. А в результате внутри шара повысится давление при уменьшении объема. Величина произведения двух параметров останется неизменной. Зная исходное значение хотя бы одного из них, можно легко узнать показатели второго. Еще одно правило в списке «газовые законы физики» – изменение объема газа и его температуры при одинаковом давлении. Это называется «изобарный процесс» и описывается с помощью закона Гей-Люсака. Соотношение объема и температуры газа неизменно. Это верно при условии постоянного значения давления в данной массе вещества. Физически тоже все просто. Если хоть раз заряжали газовую зажигалку или пользовались углекислотным огнетушителем, видели действие этого закона «вживую». Газ, выходящий из баллончика или раструба огнетушителя, быстро расширяется. Его температура резко падает. Можно обморозить кожу рук. В случае с огнетушителем – образуются целые хлопья углекислотного снега, когда газ под воздействием низкой температуры быстро переходит в твердое состояние из газообразного. Благодаря закону Гей-Люсака, можно легко узнать температуру газа, зная его объем в любой момент времени. Газовые законы физики описывают и поведение при условии неизменного занимаемого объема. Такой процесс называется изохорным и описывается законом Шарля, который гласит: При неизменном занимаемом объеме, отношение давления к температуре газа остается неизменным в любой момент времени.В реальности все знают правило: нельзя нагревать баллончики от освежителей воздуха и прочие сосуды, содержащие газ под давлением. Дело кончается взрывом. Происходит именно то, что описывает закон Шарля. Растет температура. Одновременно растет давление, так как объем не меняется. Происходит разрушение баллона в момент, когда показатели превышают допустимые. Так что, зная занимаемый объем и один из параметров, можно легко установить значение второго. Хотя газовые законы физики описывают поведение некой идеальной модели, их можно легко применять для предсказания поведения газа в реальных системах. Особенно в быту, изопроцессы могут легко объяснить, как работает холодильник, почему из баллончика освежителя вылетает холодная струя воздуха, из-за чего лопается камера или шарик, как работает разбрызгиватель и так далее.

Основы МКТ.

Молекулярно-кинетическая теория вещества- способ объяснения тепловых явлений, который связывает протекание теп­ловых явлений и процессов с особенностя­ми внутреннего строения вещества и изу­чает причины, которые обусловливают теп­ловое движение. Эта теория получила при­знание лишь в XX в., хотя исходит из древнегреческого атомного учения о стро­ении вещества.

Молекулярно-кинетическая тео­рия объясняет тепловые явле­ния особенностями движения и взаимодействия микрочастиц вещества

Молекулярно-кинетическая теория основывается на законах классичес­кой механики И. Ньютона, которые позво­ляют вывести уравнение движения микро­частиц. Тем не менее в связи с огромным их количеством (в 1 см3 вещества находится около 1023 молекул) невозможно ежесекундно с помощью законов классичес­кой механики однозначно описать движение каждой молекулы или атома. Поэтому для построения современной теории теплоты ис­пользуют методы математической статистики, которые объясняют течение тепловых явле­ний на основании закономерностей поведе­ния значительного количества микрочастиц.

Молекулярно-кинетическая тео­рия построена на основании обобщенных уравнений движе­ния огромного количества мо­лекул.

Молекулярно-кинетическая теория объяс­няет тепловые явления с позиций пред­ставлений о внутреннем строении вещества, то есть выясняет их природу. Это более глубокая, хотя и более сложная теория, которая объясняет сущность тепловых явле­ний и обусловливает законы термодинамики.

Оба существующих подхода – термодинамический подход и молекулярно-кинетическая теория – научно доказаны и взаимно дополняют друг друга, а не проти­воречат друг другу. В связи с этим изучение тепловых явлений и процессов обычно рассматривается с позиций или моле­кулярной физики, или термодинамики, в зависимости от того, как проще изложить материал.

Термодинамический и молекулярно-кинетический подходы взаимно дополняют друг друга при объяснении тепловых явлений и процессов.

Источник