Давление идеального газа, теория и онлайн калькуляторы
Давление идеального газа
Определение давления идеального газа
Определение
Давление идеального газа — это один из самых важных макроскопических параметров, при помощи которого характеризуют состояние
системы в молекулярной физике.
Обозначают давление буквой $p$. Если для известной массы идеального газа определены давление и температура (или объем), то полагают, что состояние термодинамической системы в состоянии равновесия определяется однозначно, так как существующие законы и уравнения молекулярно кинетической теории (МКТ) позволяют все остальные параметры вычислить.
В общем случае давление определяют как:
[p={mathop{lim }_{Delta Sto 0} frac{Delta F_n}{Delta S} }left(1right),]
где $F_n$ проекция силы на нормаль к поверхности S данная сила оказывает воздействие, $Delta S$- площадь поверхности.
Идеальный газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится, за счет того, что молекулы этого газа движутся и ударяются о стенки сосуда. Давление идеального газа можно найти, применяя основные положение МКТ. При этом получают, что давление идеального газа равно:
[p=frac{1}{3}nm_0{leftlangle v_{kv}rightrangle }^2left(2right),]
где $m_0$ — масса одной молекулы газа; $n$- концентрация молекул газа; $leftlangle v_{kv}rightrangle =sqrt{frac{1}{N}sumlimits^N_{i=1}{v^2_i}}, N $- количество молекул в объеме газа равном $V$. Уравнение (2) называют основным уравнением МКТ. Его можно записать в другом виде, используя среднюю кинетическую энергию молекул ($leftlangle E_krightrangle $):
[p=frac{2}{3}nleftlangle E_krightrangle left(3right).]
С таким важным термодинамическим параметром как термодинамическая температура давление связывает формула:
[p=nkT left(4right),]
где $k$ — постоянная Больцмана. Уравнение (4) называют уравнением состояния идеального газа.
Если проводить изохорный процесс ($V=const$) с некоторой массой идеального газа, то давление его будет подчинено закону Шарля:
[p_2=p_1frac{T_2}{T_1}left(5right),]
где $p_1$- давление газа имеющего температуру $T_1$.
При проведении изотермического процесса ($T=const$) c постоянной массой некоторого газа поведение давления можно характеризовать, используя уравнение:
[p_1V_1=p_2V_2left(6right).]
В соответствии с законом Дальтона давление смеси газов можно найти как сумму давлений каждого газа:
[p=sumlimits^N_{i=1}{p_i} left(7right),]
где $p_i$ — давление каждого газа в отдельности.
Уравнения МКТ, содержащие давление идеального газа
Уравнение Менделеева — Клапейрона (еще один вариант уравнения состояния):
$pV=frac{m}{mu }RT$(8),
где $frac{m}{mu }=nu $ -количество вещества; $m$ — масса газа; $mu $- молярная масса газа; $R$ — универсальная газовая постоянная.textit{}
Определение работы газа в термодинамике:
[A=intlimits^{V_2}_{V_1}{pdV}left(9right).]
Соответственно, первое начало термодинамики для идеального газа в дифференциальном виде запишем как:
[delta Q=pdV+frac{i}{2}nu RdTleft(10right),]
где $i$ — число степеней свободы молекулы газа; $delta Q$ — элементарное количество теплоты, которое получает идеальный газ; $frac{i}{2}nu RdT=dU$ — изменение внутренней энергии термодинамической системы.textit{}
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. В идеальном газе проводят процесс, при котором $p=frac{AU}{V},$ где $U$ — внутренняя энергия газа; $A=const$ для определенного газа. Сравните коэффициенты пропорциональности $A$, если в первом случае газ одноатомный, во втором двух атомный. textit{}
Решение. Внутренняя энергия идеального газа для любого процесса равна:
[U=frac{i}{2}nu RT left(1.1right).]
Состояние идеального газа описывает уравнение Менделеева — Клайперона:
[pV=nu RT left(1.2right).]
Подставим правую часть уравнения, которое описывает заданный в условиях задачи процесс ($p=frac{AU}{V}$) вместо давления в (1.2), имеем:
[frac{AU}{V}V=nu RT left(1.3right).]
Получим из (1.3), что внутренняя энергия вычисляется как:
[U=frac{1}{A}nu RTleft(1.4right).]
Сравним выражения для внутренней энергии (1.1) и (1.4), имеем:
[frac{i}{2}=frac{1}{A}left(1.5right).]
Для одноатомного газа $i=3$; для двухатомного газа (без учета колебаний молекул) $i=5$.
[frac{3}{2}=frac{1}{A_1};; frac{5}{2}=frac{1}{A_2}to frac{A_2}{A_1}=frac{3}{2}cdot frac{2}{5}=frac{3}{5}.]
Ответ. $frac{A_2}{A_1}=frac{3}{5}$
Пример 2
Задание. На рис.1 представлены процессы, проводимые с постоянной массой идеального газа, укажите, как изменяются давления в процессах?
Решение. Уравнение процесса можно аналитически описать уравнением:
[V(T)=AT-B left(2.1right),]
где $A$ и $B$ положительные постоянные величины.
Состояние газа определим при помощи уравнения Менделеева — Клапейрона:
[pV=nu RT left(2.2right).]
Вместо объема подставим уравнение процесса в (2.2):
[pleft(AT-Bright)=nu RTleft(2.3right).]
Раздели обе части (2.3) на температуру:
[frac{pleft(AT-Bright)}{T}=nu Rto pleft(A-frac{B}{T}right)=nu Rto p=frac{nu R}{A-frac{B}{T}} left(2.4right).]
Из уравнения (2.4) следует, что при увеличении температуры $frac{B}{T}$ уменьшается, следовательно, знаменатель дроби правой части выражения (2.4) увеличивается, значит, давление уменьшается.
Ответ. Давление в заданном процессе уменьшается.
Читать дальше: диэлектрический гистерезис.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Идеальный газ
О чем эта статья:
Газ: агрегатное состояние
У веществ есть три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное.
Их характеристики — в таблице:
Агрегатные состояния
Свойства
Расположение молекул
Расстояние между молекулами
Движение молекулы
Твердое
сохраняет форму и объем
в кристаллической решетке
соотносится с размером молекул
колеблется около положения равновесия в кристаллической решетке
Жидкое
сохраняет объем и текучесть
близко друг к другу
молекулы малоподвижны, при нагревании скорость движения увеличивается
Газообразное
занимает весь предоставленный объем
больше размеров молекул
хаотичное и непрерывное
В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.
Агрегатных состояний точно три?
На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.
Модель идеального газа
В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.
Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).
В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.
Свойства идеального газа
Расстояние между молекулами значительно больше размеров молекул.
Молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары.
Силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы.
Молекулы взаимодействуют только при соударениях.
Молекулы движутся хаотично.
Молекулы движутся по законам Ньютона.
Среднеквадратичная скорость
Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.
На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.
Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.
Средняя квадратичная скорость
vср. кв. — средняя квадратичная скорость [м/с]
v1, v2, vn — скорости разных молекул [м/с]
N — количество молекул [—]
Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!
Давление идеального газа
Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.
Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.
Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.
Эксперимент
Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.
Зависимость давления от других величин
Зависимость давления от объема
В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.
Давление
p = F/S
F — сила [Н]
S — площадь [м 2 ]
То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.
Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.
Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.
При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):
Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:
Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.
Зависимость давления от температуры
Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.
В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.
Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.
Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.
С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:
Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.
Основное уравнение МКТ
Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.
В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.
Все вещества образованы из мельчайших частиц — молекул, которые состоят из атомов.
Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.
Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.
Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.
Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.
Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.
Основное уравнение МКТ
p = nkT
p — давление газа [Па]
n — концентрация [м −3 ]
T — температура газа [К]
m 0 — масса одной молекулы [кг]
v — средняя квадратичная скорость [м/с]
Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.
Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v 2 , а вместо v — и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.
Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:
Кинетическая энергия
Ек = mv 2 /2
Ек — кинетическая энергия [Дж]
m — масса тела [кг]
v — скорость [м/с]
Для молекулы газа формула примет вид:
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы
Ек — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]
m0 — масса молекулы [кг]
v — скорость молекулы [м/с]
Из этой формулы можно выразить m0v 2 и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.
Основное уравнение МКТ
p — давление газа [Па]
n — концентрация [м −3 ]
E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]
Хранение и транспортировка газов
Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.
Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) 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. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.
Давление идеального газа
Определение давления идеального газа
Давление идеального газа — это один из самых важных макроскопических параметров, при помощи которого характеризуют состояние системы в молекулярной физике.
Обозначают давление буквой $p$. Если для известной массы идеального газа определены давление и температура (или объем), то полагают, что состояние термодинамической системы в состоянии равновесия определяется однозначно, так как существующие законы и уравнения молекулярно кинетической теории (МКТ) позволяют все остальные параметры вычислить.
В общем случае давление определяют как:
где $F_n$ проекция силы на нормаль к поверхности S данная сила оказывает воздействие, $Delta S$- площадь поверхности.
Идеальный газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится, за счет того, что молекулы этого газа движутся и ударяются о стенки сосуда. Давление идеального газа можно найти, применяя основные положение МКТ. При этом получают, что давление идеального газа равно:
где $m_0$ — масса одной молекулы газа; $n$- концентрация молекул газа; $leftlangle v_rightrangle =sqrt<frac<1>sumlimits^N_>, N $- количество молекул в объеме газа равном $V$. Уравнение (2) называют основным уравнением МКТ. Его можно записать в другом виде, используя среднюю кинетическую энергию молекул ($leftlangle E_krightrangle $):
[p=frac<2><3>nleftlangle E_krightrangle left(3right).]
С таким важным термодинамическим параметром как термодинамическая температура давление связывает формула:
где $k$ — постоянная Больцмана. Уравнение (4) называют уравнением состояния идеального газа.
Если проводить изохорный процесс ($V=const$) с некоторой массой идеального газа, то давление его будет подчинено закону Шарля:
где $p_1$- давление газа имеющего температуру $T_1$.
При проведении изотермического процесса ($T=const$) c постоянной массой некоторого газа поведение давления можно характеризовать, используя уравнение:
В соответствии с законом Дальтона давление смеси газов можно найти как сумму давлений каждого газа:
где $p_i$ — давление каждого газа в отдельности.
Уравнения МКТ, содержащие давление идеального газа
Уравнение Менделеева — Клапейрона (еще один вариант уравнения состояния):
где $frac<mu >=nu $ -количество вещества; $m$ — масса газа; $mu $- молярная масса газа; $R$ — универсальная газовая постоянная.textit<>
Определение работы газа в термодинамике:
Соответственно, первое начало термодинамики для идеального газа в дифференциальном виде запишем как:
[delta Q=pdV+frac<2>nu RdTleft(10right),]
где $i$ — число степеней свободы молекулы газа; $delta Q$ — элементарное количество теплоты, которое получает идеальный газ; $frac<2>nu RdT=dU$ — изменение внутренней энергии термодинамической системы.textit<>
Примеры задач с решением
Задание. В идеальном газе проводят процесс, при котором $p=frac,$ где $U$ — внутренняя энергия газа; $A=const$ для определенного газа. Сравните коэффициенты пропорциональности $A$, если в первом случае газ одноатомный, во втором двух атомный. textit<>
Решение. Внутренняя энергия идеального газа для любого процесса равна:
Состояние идеального газа описывает уравнение Менделеева — Клайперона:
[pV=nu RT left(1.2right).]
Подставим правую часть уравнения, которое описывает заданный в условиях задачи процесс ($p=frac$) вместо давления в (1.2), имеем:
Получим из (1.3), что внутренняя энергия вычисляется как:
Сравним выражения для внутренней энергии (1.1) и (1.4), имеем:
Для одноатомного газа $i=3$; для двухатомного газа (без учета колебаний молекул) $i=5$.
Задание. На рис.1 представлены процессы, проводимые с постоянной массой идеального газа, укажите, как изменяются давления в процессах?
Решение. Уравнение процесса можно аналитически описать уравнением:
где $A$ и $B$ положительные постоянные величины.
Состояние газа определим при помощи уравнения Менделеева — Клапейрона:
[pV=nu RT left(2.2right).]
Вместо объема подставим уравнение процесса в (2.2):
Раздели обе части (2.3) на температуру:
Из уравнения (2.4) следует, что при увеличении температуры $frac$ уменьшается, следовательно, знаменатель дроби правой части выражения (2.4) увеличивается, значит, давление уменьшается.
Ответ. Давление в заданном процессе уменьшается.
Основное уравнение МКТ идеального газа
теория по физике 🧲 молекулярная физика, МКТ, газовые законы
Идеальный газ — газ, удовлетворяющий трем условиям:
- Молекулы — материальные точки.
- Потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежительно мала.
- Столкновения между молекулами являются абсолютно упругими.
Реальный газ с малой плотностью можно считать идеальным газом.
Измерение температуры
Температуру можно измерять по шкале Цельсия и шкале Кельвина. По шкале Цельсия за нуль принимается температура, при которой происходит плавление льда. По шкале Кельвина за нуль принимается абсолютный нуль — температура, при котором давление идеального газа равно нулю, и его объем тоже равен нулю.
Обозначение температуры
- По шкале Цельсия — t. Единица измерения — 1 градус Цельсия (1 o C).
- По шкале Кельвина — T. Единица измерения — 1 Кельвин (1 К).
Цена деления обеих шкал составляет 1 градус. Поэтому изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах:
При решении задач в МКТ используют значения температуры по шкале Кельвина. Если в условиях задачи температура задается в градусах Цельсия, нужно их перевести в Кельвины. Это можно сделать по формуле:
Если особо важна точность, следует использовать более точную формулу:
Пример №1. Температура воды равна o C. Определить температуру воды в Кельвинах.
T = t + 273 = 2 + 273 = 275 (К)
Основное уравнение МКТ идеального газа
Давление идеального газа обусловлено беспорядочным движением молекул, которые сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Основное уравнение МКТ идеального газа связывает давление и другие макропараметры (объем, температуру и массу) с микропараметрами (массой молекул, скоростью молекул и кинетической энергией).
Основное уравнение МКТ
Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.
p = 2 3 . . n − E k
p — давление идеального газа, n — концентрация молекул газа, − E k — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.
Выражая физические величины друг через друга, можно получить следующие способы записи основного уравнения МКТ идеального газа:
p = 1 3 . . m 0 n − v 2
m 0 — масса одной молекулы газа;
n — концентрация молекул газа;
− v 2 — среднее значение квадрата скорости молекул газа.
Среднее значение квадрата скорости не следует путать со среднеквадратичной скоростью v, которая равна корню из среднего значения квадрата скорости:
p = 1 3 . . ρ − v 2
ρ — плотность газа
k — постоянная Больцмана (k = 1,38∙10 –3 Дж/кг)
T — температура газа по шкале Кельвина
Пример №2. Во сколько раз уменьшится давление идеального одноатомного газа, если среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул и концентрацию уменьшить в 2 раза?
Согласно основному уравнению МКТ идеального газа, давление прямо пропорционально произведению средней кинетической энергии теплового движения молекул и концентрации его молекул. Следовательно, если каждая из этих величин уменьшится в 2 раза, то давление уменьшится в 4 раза:
Следствия из основного уравнения МКТ идеального газа
Через основное уравнение МКТ идеального газа можно выразить скорость движения молекул (частиц газа):
v = √ 3 k T m 0 . . = √ 3 R T M . .
R — универсальная газовая постоянная, равная произведения постоянной Авогадро на постоянную Больцмана:
R = N A k = 8 , 31 Д ж / К · м о л ь
Температура — мера кинетической энергии молекул идеального газа:
Полная энергия поступательного движения молекул газа определяется формулой:
Пример №3. При уменьшении абсолютной температуры на 600 К средняя кинетическая энергия теплового движения молекул неона уменьшилась в 4 раза. Какова начальная температура газа?
Запишем формулу, связывающую температуру со средней кинетической энергией теплового движения молекул, для обоих случаев, с учетом что:
Составим систему уравнений:
На графике представлена зависимость объёма постоянного количества молей одноатомного идеального газа от средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. Опишите, как изменяются температура и давление газа в процессах 1−2 и 2−3. Укажите, какие закономерности Вы использовали для объяснения.
Алгоритм решения
Решение
График построен в координатах (V;Ek). Процесс 1–2 представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат. Это значит, что при увеличении объема растет средняя кинетическая энергия молекул. Но из основного уравнения МКТ идеального газа следует, что мерой кинетической энергии молекул является температура:
Следовательно, когда кинетическая энергия молекул растет, температура тоже растет.
Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:
Так как количество вещества одинаковое для обоих состояния 1 и 2, запишем:
ν R = p 1 V 1 T 1 . . = p 2 V 2 T 2 . .
Мы уже выяснили, что объем и температура увеличиваются пропорционально. Следовательно, давление в состояниях 1 и 2 равны. Поэтому процесс 1–2 является изобарным, давление во время него не меняется.
Процесс 2–3 имеет график в виде прямой линии, перпендикулярной кинетической энергии. Так как температуры прямо пропорциональна кинетической энергии, она остается постоянной вместе с этой энергией. Следовательно, процесс 2–3 является изотермическим, температура во время него не меняется. Мы видим, что объем при этом процессе уменьшается. Но так как объем и давление — обратно пропорциональные величины, то давление на участке 2–3 увеличивается.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Первоначальное давление газа в сосуде равнялось р1. Увеличив объём сосуда, концентрацию молекул газа уменьшили в 3 раза, и одновременно в 2 раза увеличили среднюю энергию хаотичного движения молекул газа. В результате этого давление р2 газа в сосуде стало равным
http://www.webmath.ru/poleznoe/fizika/fizika_159_davlenie_idealnogo_gaza.php
Как найти давление идеального газа
Идеальным считают газ, в котором взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало. Помимо давления, состояние газа характеризуется температурой и объемом. Соотношения между этими параметрами отображены в газовых законах.
Инструкция
Давление газа прямо пропорционально его температуре, количеству вещества, и обратно пропорционально объему сосуда, занимаемого газом. Коэффициентом пропорциональности служит универсальная газовая постоянная R, приблизительно равная 8,314. Она измеряется в джоулях, разделенных на моль и на кельвин.
Это положение формирует математическую зависимость P=νRT/V, где ν – количество вещества (моль), R=8,314 – универсальная газовая постоянная (Дж/моль•К), T – температура газа, V – объем. Давление выражается в паскалях. Его можно выразить и в атмосферах, при этом 1 атм = 101,325 кПа.
Рассмотренная зависимость – следствие из уравнения Менделеева-Клапейрона PV=(m/M)•RT. Здесь m – масса газа (г), M – его молярная масса (г/моль), а дробь m/M дает в итоге количество вещества ν, или количество молей. Уравнение Менделеева-Клапейрона справедливо для всех газов, которые допустимо считать идеальными. Это фундаментальный физико-химический газовый закон.
Наблюдая за поведением идеального газа, говорят о так называемых нормальных условиях – условиях окружающей среды, с которыми наиболее часто приходится иметь дело в действительности. Так, нормальные условия (н.у.) предполагают температуру в 0 градусов Цельсия (или 273,15 градусов по шкале Кельвина) и давление в 101,325 кПа (1 атм). Найдено значение, чему равен объем одного моля идеального газа при таких условиях: Vm=22,413 л/моль. Этот объем назван молярным. Молярный объем – одна из основных химических констант, применяемых в решении задач.
Важно понимать, что при постоянном давлении и температуре объем газа также не меняется. Этот замечательный постулат сформулирован в законе Авогадро, который утверждает, что объем газа прямо пропорционален числу молей.
Видео по теме
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
Давление идеального газа
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 74.
Обновлено 6 Августа, 2021
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 74.
Обновлено 6 Августа, 2021
Из курса физики 10 класса известно, что газ — это состояние вещества, в котором беспорядочно движущиеся молекулы слабо связаны друг с другом. В отсутствие внешних сил они стремятся равномерно распределиться по всей предоставленной ёмкости. При этом молекулы сталкиваются друг с другом и со стенками, сила их соударений складывается в постоянное давление. Кратко рассмотрим эту тему, выведем формулу давления газа.
Идеальный газ
Точное описание взаимодействия отдельных молекул в газе — достаточно сложная физическая задача. Однако давление газа создаётся ударами огромного их числа, поэтому появляется возможность создания некоторой «усреднённой» модели вещества в газообразном состоянии, которая, тем не менее, позволяет достаточно точно рассчитывать такие макроскопические параметры газа, как температура и давление.
Такой моделью является идеальный газ.
Определение идеального газа включает следующие условия:
- он состоит из молекул, представляющих собой материальные точки;
- молекулы никак не взаимодействуют между собой;
- движение молекул хаотично и подчиняется законам ньютоновской механики;
- соударения между молекулами абсолютно упругие, то есть сумма кинетических энергий молекул при столкновении не меняется.
В реальных газах, строго говоря, ни одно из этих условий не выполняется. Однако с достаточной степенью точности примером идеального газа можно считать воздух и отдельные газы, входящие в его состав при нормальных условиях (давление порядка атмосферного и температура порядка 300 К).
Давление идеального газа
Для вывода формулы давления идеального газа представим идеальный газ, молекулы которого имеют массу $m_0$ и среднюю скорость $v_{ср}$. В результате соударения эта скорость меняет направление на противоположное. Таким образом, импульс, передаваемый такой молекулой при ударе, оказывается вдвое больше её импульса до удара и равен:
$$Δp =2m_0|v_{ср}|$$
Пусть количество молекул в единице объёма (концентрация) равно $n$.
В этом случае число ударов на некоторой площади $S$ за время $t$ равно:
$$Z=n|v_{ср}|St$$
Все вместе эти удары передадут импульс силы:
$$Ft=2m_0|v_{ср}|Zt$$
Из двух последних формул можно получить:
$$F=2nm_0v_{ср}^2S$$
Молекулы газа движутся хаотично во всех шести направлениях (вверх-вниз, вправо-влево, вперёд-назад), а мы рассматривали только удары в одном направлении — о площадь $S$. Значит, среднее значение силы в шесть раз меньше:
$$overline F={1over 3}nm_0v_{ср}^2S$$
Давление равно отношению силы к площади её приложения:
$$p={overline F over S}$$
Подставив сюда предыдущую формулу, получим окончательно:
$$p={1over 3}nm_0v_{ср}^2$$
Мы получили формулу давления идеального газа, которая также называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории (МКТ).
Иногда удобно выразить давление газа через среднюю кинетическую энергию молекулы. Напомним, что средняя кинетическая энергия молекулы равна:
$$E_{ср}={m_0v_{ср}^2over 2}$$
А значит, формула давления может быть преобразована к виду:
$$p={2over 3}nE_{ср}$$
Отметим, что скорость и средняя кинетическая энергия молекулы прямо пропорциональны температуре. Поэтому в полученную формулу неявно входит и температура газа.
Что мы узнали?
Идеальный газ — это упрощённая модель вещества в газообразном состоянии. Реальные газы хорошо описываются этой моделью в нормальных условиях. Давление идеального газа создаётся в результате ударов отдельных молекул, оно пропорционально концентрации молекул газа и средней кинетической энергии молекулы.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.5
Средняя оценка: 4.5
Всего получено оценок: 74.
А какая ваша оценка?
- Идеальный газ:
- — теоретическая модель, широко применяемая для описания свойств и поведения реальных газов при умеренных давлениях и температурах;
- — газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало;
- — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией.
Общие сведения
В модели идеального газа:
-
- предполагается, что составляющие газ частицы не взаимодействуют друг с другом, то есть их размеры пренебрежимо малы, поэтому в объёме, занятом идеальным газом, нет взаимных столкновений частиц. Частицы идеального газа претерпевают столкновения только со стенками сосуда;
- между частицами газа нет дальнодействующего взаимодействия, например, электростатического или гравитационного;
- упругих столкновений между молекулами и стенками сосуда в рамках молекулярно-кинетической теории приводит к термодинамике идеального газа.
Модель идеального газа имеет широкое применения в ряде задач, например в инженерных расчетах (аэродинамический, гидравлический, теплотехнический и т.д.), связанные с воздухом и другими газами, при давлении и температуре близких к нормальным (стандартным) условиям.
При условиях сильно отличных от нормальных (стандартных) условий модель идеального газа дает результаты с погрешностью так, как модель не учитывает:
-
- притяжение между молекулами;
- конечные размеры молекул.
При высоких давления газа следует использовать различные варианты уравнений реальных газов, разработанных на базе модели идеального газа. Наиболее из известных уравнений реального газа — полуэмпирическое уравнение Ван-дер-Ваальса.
Основные уравнения состояние идеального газа
Уравнения состояния идеального газа служат для получения неизвестных параметров идеального газа или газов схожих по свойствам с моделью идеального газа.
В данном разделе будут рассмотрены варианты уравнение состояния идеального газа на основе уравнения Менделеева — Клапейрона (или уравнение Клапейрона).
P⋅VM=R⋅T или P⋅V=(m/M)⋅R⋅T
Эти уравнение имеет наибольшее практическое значение при инженерных расчетах. Но так же существуют другие варианты записи уравнения состояния идеального газа.
Основными параметрами идеального газа служат:
-
- давление идеального газа (Р), Па;
- температура идеального газа (T), °К;
- объем идеального газа (V), м3;
- молярная масса идеального газа (M), кг/моль;
- количества идеального газа (n), моль;
- масса идеального газа (m), кг;
- молярный объем (VM), м3/моль;
Другие физические величины используемые в уравнении состояния идеального газа:
-
- плотность идеального газа (ρ), кг/м3.
Калькуляторы параметров идеального газа
Калькулятор молярного объема идеального газа
Согласно закону Авогадро, одинаковые количества газов при одинаковых условиях занимают одинаковый объём. Молярный объём идеального газа рассчитается по формуле:
VM=(R⋅T)/P
Введите универсальную газовую постоянную (Run0)
Введите температуру газа (T0)
Введите давление газа (абсолютного) (PA0)
Результат расчета молярного объема газа (Vm0)
Формула расчета молярного объема газа:
Скачать результат расчета молярного объема газа:
Поделится ссылкой на расчет молярного объема:
Если по калькулятору, приведенному выше, посчитать молярный объем газа при нормальных условиях:
-
- давление Р=101325 Па;
- температура Т=273,15 ºК.
В результате получится молярный объем идеального газа при нормальных условиях равный 22,413971 литр/моль (частный случай закона Авогадро).
Молярные объёмы реальных газов и идеального газа для практических вычислений имеют не значительные отклонения и принимаются равными .
Калькулятор давления идеального газа
При решении инженерных задач часто необходимо определять давление газа в технических устройствах, для решения задачи по организации технологии, для выполнения расчета на прочность технических устройств или просто для выполнения гидравлических (аэродинамических расчетов).
Расчет давления газа, если известны:
-
- масса газа;
- объем занимаемый газом (внутри сосуда, трубопровода или другого устройства);
- молярная масса газа;
- температура газа,
выполняется по формуле:
P=(m⋅R⋅T)/(M⋅V)
Введите универсальную газовую постоянную (Run2)
Введите температуру газа (T2)
Введите молярную массу газа (Mg2)
Результат расчета давления газа (абсолютного) (PA2)
Формула расчета давления газа (абсолютного):
Скачать результат расчета давления газа (абсолютного):
Поделится ссылкой на расчет давления:
Калькулятор температуры идеального газа
Температуру газа необходимо обычно рассчитывать для:
-
- возможности принятия технологических решения;
- возможности проведения расчета на прочность технологического оборудования;
- расчета теплоизоляции оборудования и защиты персонала от повышенной или пониженной температуры.
Расчет температуры газа, если известны:
-
- масса газа;
- объем занимаемый газом (внутри сосуда, трубопровода или другого устройства);
- молярная масса газа;
- абсолютное давление газа.
выполняется по формуле:
T=(P⋅M⋅V)/(m⋅R)
Введите давление газа (абсолютное) (PA3)
Введите молярную массу газа (Mg3)
Введите универсальную газовую постоянную (Run3)
Результат расчета температуры газа (T3)
Формула расчета температуры газа:
Скачать результат расчета температуры газа:
Поделится ссылкой на расчет температуры:
Калькулятор объема идеального газа
Расчет объем занимаемый газом (внутри сосуда, трубопровода или другого устройства), если известны:
-
- масса газа;
- давление газа;
- молярная масса газа;
- температура газа,
выполняется по формуле:
V=(m⋅R⋅T)/(M⋅P)
На основе этого уравнения, так же находят объемный расход газа при различных условиях.
Введите универсальную газовую постоянную (Run4)
Введите температуру газа (T4)
Введите молярную массу газа (Mg4)
Введите давление газа (абсолютного) (PA4)
Результат расчета объема газа (V4)
Формула расчета объема газа:
Скачать результат расчета объема газа:
Поделится ссылкой на расчет объема:
Калькулятор массы идеального газа
Масса газа рассчитывают для:
-
- решения технологических задач;
- возможности проведения расчета на прочность технологического оборудования и трубопроводов (сбор нагрузок);
- на опасных производственных объектах с опасными веществами для расчета массы опасных веществ для возможности идентификации производственного объекта, как ОПО.
Расчет массы газа, если известны:
-
- абсолютное давление газа;
- молярная масса газа;
- объем занимаемый газом (внутри сосуда, трубопровода или другого устройства);
- температура газа,
выполняется по формуле:
m=(P⋅M⋅V)/(T⋅R)
Введите давление газа (абсолютное) (PA5)
Введите молярную массу газа (Mg5)
Введите температуру газа (T5)
Введите универсальную газовую постоянную (Run5)
Результат расчета массы газа (m5)
Формула расчета массы газа:
Скачать результат расчета массы газа:
Поделится ссылкой на расчет массы:
Калькулятор плотности идеального газа
Расчет плотности газа, если известны:
-
- абсолютное давление газа;
- молярная масса газа;
- температура газа,
выполняется по формуле:
ρ=(P⋅M)/(T⋅R)
Введите давление газа (абсолютное) (PA6)
Введите молярную массу газа (Mg6)
Введите температуру газа (T6)
Введите универсальную газовую постоянную (Run6)
Результат расчета плотности газа (pl6)
Формула расчета плотности газа:
Скачать результат расчета плотности газа:
Поделится ссылкой на расчет плотности :
Калькулятор параметров идеального газа системы исходя из разных состояний системы
Выполняется по формуле:
P1⋅V1/T1=P2⋅V2/T2=P3⋅V3/T3=…=const
Рассмотрим изменение параметров системы по двумя состояниям:
P1⋅V1/T1=P2⋅V2/T2
Калькулятор давления идеального газа
P1=(P2⋅V2⋅T1)/(T2⋅V1)
Введите давление газа (абсолютное) (Pg2)
Введите температуру газа (Tg1)
Введите температуру газа (Tg2)
Результат расчета давления газа (абсолютного) (Pg1)
Формула расчета давления газа (абсолютного):
Скачать результат расчета давления газа (абсолютного):
Поделится ссылкой на расчет давления:
Калькулятор температуры идеального газа
T3=(P3⋅V3⋅T4)/(P4⋅V4)
Введите давление газа (абсолютное) (Pg3)
Введите температуру газа (Tg4)
Введите температуру газа (абсолютное) (Pg4)
Результат расчета температуры газа (Tg3)
Формула расчета температуры газа:
Скачать результат расчета температуры газа:
Поделится ссылкой на расчет температуры:
Калькулятор объема идеального газа
V5=(P6⋅V6⋅T5)/(P5⋅T6)
Введите давление газа (абсолютное) (Pg6)
Введите температуру газа (Tg5)
Введите давление газа (абсолютное) (Pg5)
Введите температуру газа (Tg6)
Результат расчета объема газа (Vg5)
Формула расчета объема газа:
Скачать результат расчета объема газа:
Поделится ссылкой на расчет объема: