Агрегатные состояния вещества

Наличие разных агрегатных состояний вещества объясняется различным взаимодействием молекул. На рис.7.1 приведена зависимость сил межмолекулярного взаимодействия от расстояния.

На больших расстояниях преобладает действие сил притяжения, на малых - отталкивания. По природе эти силы - электромагнитные. С энергетической точки зрения, чем больше кинетическая энергия атомов, тем сильнее тенденция к разъединению, отталкиванию; чем больше потенциальная энергия сцепления, тем больше тенденция к соединению.

Если суммарная кинетическая энергия атомов и молекул много больше суммарной потенциальной энергии их взаимного притяжения, то вещество находится в газообразном состоянии; если много меньше, то в твердом. Жидкое состояние образуется при примерном равенстве этих энергий.

7.2. Опытные законы идеального газа

Газовые законы установлены в 17 веке экспериментально. Однако, их можно получить, используя уравнение Менделеева - Клапейрона.

Закон Бойля-Мариотта. Для данного количества вещества при изотермическом процессе произведение давления на объём есть величина постоянная.

(7-1) .

Для построения диаграммы Р(V) выразим давление через объем .

Зависимость между давлением и объёмом – обратно пропорциональная, графически представлена гиперболой на рис.7.2 а. Температурные зависимости давления и объёма представлены на рис.7.2 б и в, соответственно.

Закон Гей-Люссака. Для данного количества вещества при изобарическом процессе отношение объёма к температуре (или наоборот) есть постоянная величина.

(7-2)

Изобарический закон можно записать и в виде: . ЗдесьV₀ - объём газа при t=0⁰C, t- температура в ⁰С, a - термический коэффициент объемного расширения; . Для идеального газа,, но, тогда- термический коэффициент объёмного расширения идеального газа равен величине, обратной температуры. Изображение этого процесса приведено на рис. 7.3.

Закон Шарля. Для данного количества вещества при изохорическом процессе отношение давления к температуре (или наоборот) есть величина постоянная.

, (7-3)

Изображение этого процесса приведено на рис. 7.4

Закон Авогадро

При одинаковых давлениях (Р) и температурах (Т) в равных объемах (V) любого газа содержится одинаковое число молекул.

Закон Дальтона (для смеси газов)

Давление смеси газов равно сумме парциальных давлений

Р_см=Р₁+Р₂+... +Р_К (7-4)

Парциальное давление - давление, которое оказывал бы данный компонент газа, если бы он один занимал весь объем, предоставленный смеси.

7.3. Уравнение состояния идеального газа

Наиболее простой моделью является модель идеального газа. Это газ, состоящий из точечных материальных частиц с конечной массой, силами взаимодействия между которыми можно пренебречь, и которые сталкиваются между собой по законам соударения упругих шаров. Следовательно, молекулы идеального газа обладают только кинетической энергией, поскольку потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь. Молекулы движутся непрерывно и беспорядочно, следовательно, в среднем скорости молекул газа в разных направлениях одинаковы. Тот факт, что частицы точечные, позволяет считать, что газ занимает весь предоставленный ему объём, то есть, любая молекула в любой момент времени может находиться в любом месте предоставленного объёма.

Уравнение состояния идеального газа или уравнение Менделеева - Клапейрона является обобщением законов идеального газа, открытых экспериментально до создания МКТ.

(7-5)

R = 8,3 - молярная газовая постоянная или универсальная газовая постоянная.

Уравнение состояния газа часто удобно использовать в записи, предложенной Клапейроном, если количество вещества не изменяется или

(7-6)

Уравнение (7-6) часто называют обобщённым газовым законом.