- Ідеальний газ. Рівняння ідеального газу. Ізопроцесси Подробиці Опубліковано 05.11.2014 7:28 Переглядів:...
- Рівняння стану ідеального газу
- Ізопроцесси
- ізотермічний процес
- ізобарний процес
- ізохорний процес
Ідеальний газ. Рівняння ідеального газу. Ізопроцесси
Подробиці Опубліковано 05.11.2014 7:28 Переглядів: 14040
Газ - одна з чотирьох агрегатних станів, в яких може перебувати речовина.
Частинки, з яких складається газ, дуже рухливі. Вони практично вільно і хаотично рухаються, періодично стикаючись один з одним подібно більярдний кулях. Таке зіткнення називають пружним зіткненням. Під час зіткнення вони різко змінюють характер свого руху.
Так як в газоподібних речовинах відстань між молекулами, атомами і іонами набагато перевищує їх розміри, то між собою ці частинки взаємодію дуже слабо, і їх потенційна енергія взаємодії дуже мала в порівнянні з кінетичної.
Зв'язки між молекулами в реальному газі складні. Тому також досить складно описувати залежність його температури, тиску, обсягу від властивостей самих молекул, їх кількості, швидкості їх руху. Але завдання значно спрощується, якщо замість реального газу розглядати його математичну модель - ідеальний газ.
Передбачається, що в моделі ідеального газу між молекулами немає сил тяжіння і відштовхування. Всі вони рухаються незалежно один від одного. І до кожної з них можна застосувати закони класичної механіки Ньютона. А між собою вони взаємодіють тільки під час пружних зіткнень. Час самого зіткнення дуже мало в порівнянні з часом між зіткненнями.
Класичний ідеальний газ
Спробуємо уявити молекули ідеального газу маленькими кульками, які перебувають у величезній кубі на великій відстані один від одного. Через це відстані вони не можуть один з одним взаємодіяти. Отже, їх потенційна енергія дорівнює нулю. Але ці кульки рухаються з величезною швидкістю. А значить, мають кінетичної енергією. Коли вони стикаються один з одним і зі стінками куба, вони поводяться як м'ячики, тобто пружно відскакують. При цьому вони змінюють напрямок свого руху, але не змінюють швидкості. Приблизно так виглядає рух молекул в ідеальному газі.
Газ можна вважати ідеальним, якщо в ньому виконуються наступні припущення:
- Потенційна енергія взаємодії молекул ідеального газу настільки мала, що нею нехтують в порівнянні з кінетичної енергією.
- Молекули в ідеальному газі також мають настільки маленькі розміри, що їх можна вважати матеріальними точками. А це означає, що і їх сумарний обсяг також мізерно малий у порівнянні з об'ємом посудини, в якому знаходиться газ. І цим обсягом також нехтують.
- Середній час між зіткненнями молекул набагато перевищує час їх взаємодії при зіткненні. Тому часом взаємодії нехтують також.
Газ завжди приймає форму судини, в якому знаходиться. Рухомі частинки стикаються один з одним і зі стінками посудини. Під час удару кожна молекула діє на стінку з деякою силою протягом дуже короткого проміжку часу. Так виникає тиск. Сумарне тиск газу складається з тисків всіх молекул.
Рівняння стану ідеального газу
Стан ідеального газу характеризують три параметри: тиск, обсяг і температура. Залежність між ними описується рівнянням:
де р - тиск,
V M - молярний обсяг,
R - універсальна газова постійна,
T - абсолютна температура (градуси Кельвіна).
Так як VM = V / n, де V - об'єм, n - кількість речовини, а n = m / M, то
де m - маса газу, М - молярна маса. Це рівняння називається рівнянням Менделєєва-Клайперона.
При постійній масі рівняння набуває вигляду:
Це рівняння називають об'єднаним газовим законом.
Використовуючи закон Менделєєва-Клайперона, можна визначити один з параметрів газу, якщо відомі два інших.
Ізопроцесси
За допомогою рівняння об'єднаного газового закону можна досліджувати процеси, в яких маса газу і один з найважливіших параметрів - тиск, температура або обсяг - залишаються постійними. У фізиці такі процеси називаються ізопроцессамі.
З об'єднаного газового закону випливають інші найважливіші газові закони: закон Бойля-Маріотта, закон Гей-Люссака, закон Шарля, або другий закон Гей-Люссака.
ізотермічний процес
Процес, в якому змінюються тиск або обсяг, але температура залишається постійною, називається ізотермічним процесом.
При ізотермічному процесі T = const, m = const.
Поведінка газу в ізотермічному процесі описує закон Бойля-Маріотта. Цей закон відкрили експериментальним шляхом англійський фізик Роберт Бойль в 1662 р і французький фізик Едм Маріотт в 1679 р Причому зробили вони це незалежно один від одного. Закон Бойля-Маріотта формулюється так: В ідеальному газі при постійній температурі добуток тиску газу на його об'єм також постійно.
Рівняння Бойля-Маріотта можна вивести з об'єднаного газового закону. Підставивши в формулу Т = const, отримуємо
p · V = const
Це і є закон Бойля-Маріотта. З формули видно, що тиск газу при постійній температурі обернено пропорційно його обсягу. Чим вище тиск, тим менше обсяг, і навпаки.
Як пояснити це явище? Чому ж при збільшенні обсягу газу його тиск стає менше?
Так як температура газу не змінюється, то не змінюється і частота ударів молекул об стінки посудини. Якщо збільшується обсяг, то концентрація молекул стає менше. Отже, на одиницю площі доведеться меншу кількість молекул, які соударяются зі стінками в одиницю часу. Тиск падає. При зменшенні обсягу число зіткнень, навпаки, зростає. Відповідно зростає і тиск.
Графічно ізотермічний процес відображають на площині кривої, яку називають ізотермою. Вона має форму гіперболи.
Кожному значенню температури відповідає своя ізотерма. Чим вище температура, тим вище розташована відповідна їй ізотерма.
ізобарний процес
Процеси зміни температури і об'єму газу при постійному тиску, називаються ізобарна. Для цього процесу m = const, P = const.
Залежність обсягу газу від його температури при незмінних тиску також була встановлена експериментальним шляхом французьким хіміком і фізиком Жозефом Луї Гей-Люссак, що опублікувала його в 1802 р Тому її називають законом Гей-Люссака: "Пр і постійному тиску відношення обсягу постійної маси газу до його абсолютної температурі є постійною величиною ".
При Р = const рівняння об'єднаного газового закону перетворюється в рівняння Гей-Люссака.
Приклад ізобарного процесу - газ, що знаходиться всередині циліндра, в якому переміщається поршень. При підвищенні температури зростає частота ударів молекул об стінки. Збільшується тиск, і поршень піднімається. В результаті збільшується обсяг, яку він обіймав газом в циліндрі.
Графічно ізобарний процес відображається прямою лінією, яка називається ізобарою.
Чим більше тиск в газі, тим нижче розташована на графіку відповідна ізобара.
ізохорний процес
Ізохорним, або изохорический, називають процес зміни тиску і температури ідеального газу при постійному об'ємі.
Для ізохоричного процесу m = const, V = const.
Уявити такий процес дуже просто. Він відбувається в посудині фіксованого обсягу. Наприклад, в циліндрі, поршень в якому не рухається, а жорстко закріплений.
Ізохорний процес описується законом Шарля: «Для даної маси газу при постійному об'ємі його тиск пропорційно температурі». Французький винахідник і вчений Жак Олександр Сезар Шарль встановив цю залежність за допомогою експериментів в 1787 р У 1802 р її уточнив Гей-Люссак. Тому цей закон іноді називають другим законом Гей-Люссака.
При V = const з рівняння об'єднаного газового закону отримуємо рівняння закону Шарля, або другого закону Гей-Люссака.
При постійному об'ємі тиск газу збільшується, якщо збільшується його температура.
На графіках Ізохоричний процес відображається лінією, яка називається Ізохор.
Чим більше обсяг займаний газом, тим нижче розташована ізохора, що відповідає цьому обсягу.
В реальності жоден параметр газу неможливо підтримувати незмінним. Це можливо зробити лише в лабораторних умовах.
Звичайно, в природі ідеального газу не існує. Але в реальних розріджених газах при дуже низькій температурі і тиску не вище 200 атмосфер відстань між молекулами набагато перевищує їх розміри. Тому їх властивості наближаються до властивостей ідеального газу.
Як пояснити це явище?Чому ж при збільшенні обсягу газу його тиск стає менше?
