- •Введение. Предмет и задачи молекулярной физики и термодинамики
- •1. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов
- •Основные положения молекулярно-кинетической теории
- •1.2. Масса и размеры молекул. Количество вещества
- •1.3. Законы идеального газа
- •1.4. Уравнение состояния идеального газа
- •1.5. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов
- •1.6. Закон Максвелла о распределении молекул по скоростям
- •1.7. Распределение Больцмана
- •1.8. Средняя длина свободного пробега молекул. Явления переноса
- •2. Основы термодинамики
- •Внутренняя энергия системы. Степени свободы молекул
- •2.2. Первое начало термодинамики. Удельная и молярная теплоемкости
- •2.3. Работа газа по перемещению поршня. Теплоемкость при постоянном объеме и давлении
- •2.4. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс. Политропный процесс
- •2.5. Круговой процесс. Обратимые и необратимые процессы
- •Кпд кругового процесса
- •2.6. Энтропия
- •Статистическое толкование энтропии
- •2.7. Второе и третье начала термодинамики
- •2.8. Тепловые двигатели и холодильные машины
- •Теорема Карно
- •3. Реальные газы
- •3.1. Уравнение Ван-дер-Ваальса
- •Внутренняя энергия реального газа
- •4. Свойства жидкостей
- •4.1 Особенности жидкого состояния вещества
- •4.2. Энергия поверхностного слоя и поверхностное натяжение жидкостей
- •4.3 Смачивание и несмачивание
- •4.4. Капиллярные явления
- •Литература
- •Оглавление
1.3. Законы идеального газа
В молекулярно-кинетической теории используется модель идеального газа, в которой считают:
1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда;
2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия;
3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Реальные газы при низких давлениях и высоких температурах близки по своим свойствам к идеальному газу.
Рассмотрим эмпирические законы, описывающие поведение идеальных газов.
1. Закон Бойля – Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная:
(7)
Процесс, протекающий при постоянной температуре, называется изотермическим. Кривая, изображающая зависимость между величинами , характеризующими свойства вещества при постоянной температуре, называется изотермой. Изотермы представляют собой гиперболы, расположенные тем выше, чем выше температура, при которой происходит процесс (рис. 1).
2. Закон Гей-Люссака: объем данной массы газа при постоянном давлении изменяется с температурой линейно:
. (8)
Здесь - температура по шкале Цельсия, - объем газа при 0 0С, - температурный коэффициент объемного расширения газа.
Процесс, протекающий при постоянном давлении и неизменной массе газа, называется изобарным. В ходе изобарного процесса для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно:
.
На диаграмме в координатах этот процесс изображается прямой, называемой изобарой (рис. 2).
3. Закон Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме изменяется линейно с температурой:
. (9)
Здесь - температура по шкале Цельсия, - давление газа при 0 0С, - температурный коэффициент давления газа.
Процесс, протекающий при постоянном объеме и неизменной массе газа, называется изохорным. В ходе изохорного процесса для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно:
.
На диаграмме в координатах этот процесс изображается прямой, называемой изохорой (рис. 3).
Вводя в формулах (8) и (9) термодинамическую температуру T, законам Гей-Люссака и Шарля можно придать более удобный вид:
, (10)
. (11)
Закон Авогадро: моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объемы.
Так, при нормальных условиях один моль любого газа занимает объем 22,4 м-3. При одинаковых температуре и давлении любой газ содержит в единице объема одинаковое количество молекул.
При нормальных условиях в 1 м3 любого газа содержится число частиц, называемое числом Лошмидта:
.
Закон Дальтона: давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений входящих в нее газов:
.
Парциальное давление – давление, которое создавал бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.
1.4. Уравнение состояния идеального газа
Состояние некоторой массы газа определяется тремя термодинамическими параметрами: давлением , объемом и температурой . Между этими параметрами существует определенная связь, называемая уравнением состояния, которое в общем виде задается выражением
,
где каждая переменная является функцией двух других.
Французский физик и инженер Б. Клапейрон объединил законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, и вывел уравнение состояния идеального газа. Пусть некоторая масса газа занимает объем , имеет давление и находится при температуре. Эта же масса газа в другом состоянии характеризуется параметрами , , (рис. 4).
Переход из состояния 1 в состояние 2 происходит в виде двух процессов: 1) изотермического (изотерма ), 2) изохорного (изохора ).
Согласно законам Бойля- Мариотта и Шарля:
, (12)
. (13)
Исключив из уравнений (12) - (13) , получим
.
Так как состояния 1 и 2 выбраны произвольно, то для данной массы газа величина остается постоянной, то есть
. (14)
Выражение (14) является уравнением Клапейрона. Здесь – газовая постоянная, различная для разных газов.
Русский ученый Д.И. Менделеев объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро, отнеся уравнение (14) к одному молю, используя молярный объем . Согласно закону Авогадро, при одинаковых и моли всех газов занимают одинаковый молярный объем , поэтому газовая постоянная будет одинаковой для всех газов. Эта постоянная обозначается и называется молярной газовой постоянной, она равна
. (15)
Уравнению
(16)
удовлетворяет лишь идеальный газ, и оно является уравнением состояния идеального газа, или уравнением Клапейрона- Менделеева.
От уравнения (16) для моля газа можно перейти к уравнению Клапейрона – Менделеева для произвольной массы газа. Если при некоторых заданных давлении и температуре один моль газа занимает молярный объем , то при тех же условиях масса газа займет объем , где – молярная масса газа. Уравнение Клапейрона – Менделеева для массы газа
. (17)
Часто используют другую форму уравнения состояния идеального газа, вводя постоянную Больцмана:
. (18)
Используя , запишем уравнение состояния идеального газа (16) в виде
Таким образом, из уравнения
(19)
следует, что давление идеального газа при данной температуре прямо пропорционально концентрации его молекул (или плотности газа).