40. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией. Между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги, а время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями.

Модель широко применяется для решения задач термодинамики газов и задач аэрогазодинамики. Например, воздух при атмосферном давлении и комнатной температуре с большой точностью описывается данной моделью. В случае экстремальных температур или давлений требуется применение более точной модели, например модели газа Ван-дер-Ваальса, в котором учитывается притяжение между молекулами.

Различают классический идеальный газ (его свойства выводятся из законов классической механики и описываются статистикой Больцмана) и квантовый идеальный газ (свойства определяются законами квантовой механики, описываются статистиками Ферми — Дирака или Бозе — Эйнштейна).

Соотношение p = nkT, связывающее давление газа с его температурой и концентрацией молекул, получено в §3.2 для модели идеального газа, молекулы которого взаимодействуют между собой и со стенками сосуда только во время упругих столкновений. Это соотношение может быть записано в другой форме, устанавливающей связь между макроскопическими параметрами газа – объемом V, давлением p, температурой T и количеством вещества ν. Для этого нужно использовать равенства

Здесь N – число молекул в сосуде, NА – постоянная Авогадро, m – масса газа в сосуде, M – молярная масса газа. В итоге получим:

Произведение постоянной Авогадро NА на постоянную Больцмана k называется универсальной газовой постоянной и обозначается буквой R. Ее численное значение в СИ есть: R = 8,31 Дж/моль·К.

Соотношение называется уравнением состояния идеального газа. Для одного моля любого газа это соотношение принимает вид: pV=RT.

Если температура газа равна Tн = 273,15 К (0 °С), а давление pн = 1 атм = 1,013·105 Па, то говорят, что газ находится при нормальных условиях. Как следует из уравнения состояния идеального газа, один моль любого газа при нормальных условиях занимает один и тот же объем V0, равныйV0 = 0,0224 м3/моль = 22,4 дм3/моль.

41.Газовые законы. Применение газов в технике

Для описания состояния газа достаточно задать три макроскопических параметра — объем V, давление p и температуру T. Изменение одного из этих параметров вызывает изменение остальных. Если одновременно меняются объем, давление и температура, то на опыте трудно установить какие-либо закономерности. Проще сначала рассмотреть газ неизменной массы (m = const), зафиксировать значение одного из макропараметров (V, p или T) и рассмотреть изменение при этом двух других.

Процессы, при которых один из параметров p, V или Τ остается постоянным при данной массе газа, называют изопроцессами. isos в переводе с греческого означает «равный».

Законы, описывающие изопроцессы в идеальном газе, были открыты экспериментально.

Изотермический процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянной температуре: Τ = const.

Закон экспериментально открыли независимо друг от друга английский химик и физик Роберт Бойль (1662) и французский физик Эдм Мариотт (1676).

Закон изотермического процесса (Бойля-Мариотта): для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная:

или для двух состояний

Для осуществления изотермического процесса надо сосуд, наполненный газом, привести в контакт с термостатом.

Термостат — это прибор для поддержания постоянной температуры.

Изотермическим процессом приближенно можно считать процесс медленного сжатия или расширения газа в сосуде с поршнем. Термостатом в этом случае служит окружающая среда. Изобарный процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянном давлении: p = const.

Закон экспериментально исследовали независимо друг от друга французские физики Жак Шарль (1787) и Жозеф Гей-Люссак (1802). Работа Ж. Шарля была опубликована уже после открытия Ж. Гей-Люссака. Но изобарный процесс в российских учебниках называют законом Гей-Люссака, в белорусских — законом Шарля. Закон изобарного процесса: при данной массе газа при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре есть величина постоянная:

, или

Этот закон можно записать через температуру t, измеряемую по шкале Цельсия: , где V0 — объем газа при 0 °С, α = 1/273 К-1 — температурный коэффициент объемного расширения. Опыт показывает, что при малых плотностях температурный коэффициент объемного расширения не зависит от вида газа, т.е. одинаков для всех газов).

Получить изобарный процесс можно при помощи цилиндра с невесомым поршнем. Изохорный процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянном объеме: V = const. Закон экспериментально исследовали независимо друг от друга французские физики Жак Шарль (1787) и Жозеф Гей-Люссак (1802). Изохорный процесс в российских учебниках называют законом Шарля, в белорусских — законом Гей-Люссака.

Закон изохорного процесса: при данной массе газа при постоянном объеме отношение давления к абсолютной температуре есть величина постоянная:

, или

Если температуру измерять по шкале Цельсия, то закон Гей-Люссака запишется в виде: , где p0 — давление газа при 0 °С, α — температурный коэффициент давления, оказавшийся одинаковым для всех газов.

Получить изохорный процесс можно в баллоне, который не изменяет свой объем при данном изменении температуры.

Тщательная экспериментальная проверка современными методами показала, что уравнение состояния идеального газа и вытекающие из него законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля достаточно точно описывают поведение реальных газов при небольших давлениях и не слишком низких температурах.