Как уже указывалось, состояние некоторой массы газа определяется тремя термодинамическими параметрами: давлением р, объемом V и температурой Т. Между этими параметрами существует определенная связь, называемая уравнением состояния, которое в общем виде дается выражением
где каждая из переменных является функцией двух других.
Французский физик и инженер Б. Клапейрон (1799-1864) вывел уравнение состояния идеального газа, объединив законы Бойля - Мариотта и Гей-Люссака. Пусть некоторая масса газа занимает объем V 1 , имеет давление p 1 и находится при температуре T 1 . Эта же масса газа в другом произвольном состоянии характеризуется параметрами р 2 , V 2 , Т 2 (рис. 63). Переход из состояния 1 в состояние 2 осуществляется в виде двух процессов: 1) изотермического (изотерма 1 - 1¢, 2) изохорного (изохора 1¢ - 2).
В соответствии с законами Бойля - Мариотта (41.1) и Гей-Люссака (41.5) запишем:
Исключив из уравнений (42.1) и (42.2) p¢ 1 , получим
Так как состояния 1 и 2 были выбраны произвольно, то для данной массы газа величина pV/T остается постоянной, т. е.
Выражение (42.3) является уравнением Клапейрона, в котором В - газовая постоянная, различная для разных газов.
Русский ученый Д. И. Менделеев (1834-1907) объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро, отнеся уравнение (42.3) к одному молю, использовав молярный объем V m . Согласно закону Авогадро, при одинаковых р и Т моли всех газов занимают одинаковый молярный объем V m , поэтому постоянная B будет одинаковой для всех газов. Эта общая для всех газов постоянная обозначается R и называется молярной газовой постоянной. Уравнению
удовлетворяет лишь идеальный газ, и оно является уравнением состояния идеального газа, называемым также уравнением Клапейрона - Менделеева.
Числовое значение молярной газовой постоянной определим из формулы (42.4), полагая, что моль газа находится при нормальных условиях (р 0 = 1,013×10 5 Па, T 0 = 273,15 К, V m = 22,41×10 -3 м э /моль): R = 8,31 Дж/(моль×К).
От уравнения (42.4) 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 V m , то при тех же условиях масса m газа займет объем V= (т/М)× V m , где М - молярная масса (масса одного моля вещества). Единица молярной массы - килограмм на моль (кг/моль). Уравнение Клапейрона - Менделеева для массы т газа
где v=m/M - количество вещества.
Часто пользуются несколько иной формой уравнения состояния идеального газа, вводя постоянную Больцмана:
Исходя из этого уравнение состояния (42.4) запишем в виде
где N A /V m = n- концентрация молекул (число молекул в единице объема). Таким образом, из уравнения
следует, что давление идеального газа при данной температуре прямо пропорционально концентрации его молекул (или плотности газа). При одинаковых температуре и давлении все газы содержат в единице объема одинаковое число молекул. Число молекул, содержащихся в 1 м 3 газа при нормальных условиях, называется числом Лошмндта*:
Основное уравнение
Молекулярно-кинетической теории
Идеальных газов
Для вывода основного уравнения молекулярно-кинетической теории рассмотрим одно атомный идеальный газ. Предположим, что молекулы газа движутся хаотически, число взаимных столкновений между молекулами газа пренебрежимо мало по сравнению с числом ударов о стенки сосуда, а соударения молекул со стенками сосуда абсолютно упругие. Выделим на стенке сосуда некоторую элементарную площадку DS (рис. 64) и вычислим давление, оказываемое на эту площадку. При каждом соударении молекула, движущаяся перпендикулярно площадке, передает ей импульс m 0 v - (- т 0 ) = 2т 0 v, где m 0 - масса молекулы, v - ее скорость. За время Dt площадки DS достигнут только те молекулы, которые заключены в объеме цилиндра с основанием DS и высотой vDt (рис. 64). Число этих молекул равно nDSvDt (n- концентрация молекул).
Необходимо, однако, учитывать, что реально молекулы движутся к площадке DS под разными углами и имеют различные скорости, причем скорость молекул при каждом соударении меняется. Для упрощения расчетов хаотическое движение молекул заменяют движением вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений, так что в любой момент времени вдоль каждого из них движется 1/3 молекул, причем половина молекул - 1/6 - движется вдоль данного направления в одну сторону, половина - в противоположную. Тогда число ударов молекул, движущихся в заданном направлении, о площадку DS будет
l / 6 nDSvDt. При столкновении с площадкой эти молекулы передадут ей импульс
Тогда давление газа, оказываемое им на стенку сосуда,
Если газ в объеме V содержит N молекул, движущихся со скоростями v 1 ,v 2 , ..., v n , то целесообразно рассматривать среднюю квадратичную скорость
характеризующую всю совокупность молекул таза. Уравнение (43.1) с учетом (43.2) примет вид
Выражение (43.3) называется основным уравнением молекулярно-кинетнческой теории идеальных газов. Точный расчет с учетом движения молекул по всевозможным направлениям дает ту же формулу.
Учитывая, что n=N/V, получим
где Е - суммарная кинетическая энергия поступательного движения всех молекул газа.
Так как масса газа m=Nm 0 , то уравнение (43.4) можно переписать в виде
Для одного моля газа т = М (М - молярная масса), поэтому
где F m - молярный объем. С другой стороны, по уравнению Клапейрона - Менделеева, pV m = RT. Таким образом,
Так как M = m 0 N A - масса одной молекулы, а N А - постоянная Авогадро, то из уравнения (43.6) следует, что
где k=R/N A - постоянная Больцмана. Отсюда найдем, что при комнатной температуре молекулы кислорода имеют среднюю квадратичную скорость 480 м/с, водорода - 1900 м/с. При температуре жидкого гелия те же скорости будут соответственно 40 и 160 м/с.
Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа
(использовали формулы (43.5) и (43.7)) пропорциональна термодинамической температуре и зависит только от нее. Из этого уравнения следует, что при Т=0
Берём формулу и подставляем в неё . Получаем:
p = nkT.
Вспомним теперь, что A , где ν - число молей газа:
pV = νRT. (3)
Соотношение (3) называется уравнением Менделеева - Клапейрона . Оно даёт взаимосвязь трёх важнейших макроскопических параметров, описывающих состояние идеального газа - давления, объёма и температуры. Поэтому уравнение Менделеева - Клапейрона называется ещё уравнением состояния идеального газа .
Учитывая, что , где m - масса газа, получим другую форму уравнения Менделеева - Клапейрона:
Есть ещё один полезный вариант этого уравнения. Поделим обе части на V :
Но - плотность газа. Отсюда
В задачах по физике активно используются все три формы записи (3)-(5).
Изопроцессы
На протяжении этого раздела мы будем придерживаться следующего предположения: масса и химический состав газа остаются неизменными . Иными словами, мы считаем, что:
m = const, то есть нет утечки газа из сосуда или, наоборот, притока газа в сосуд;
µ = const, то есть частицы газа не испытывают каких-либо изменений (скажем, отсутствует диссоциация - распад молекул на атомы).
Эти два условия выполняются в очень многих физически интересных ситуациях (например, в простых моделях тепловых двигателей) и потому вполне заслуживают отдельного рассмотрения.
Если масса газа и его молярная масса фиксированы, то состояние газа определяется тремя макроскопическими параметрами: давлением , объёмом и температурой . Эти параметры связаны друг с другом уравнением состояния (уравнением Менделеева - Клапейрона).
Термодинамический процесс
Термодинамический процесс (или просто процесс ) - это изменение состояния газа с течением времени. В ходе термодинамического процесса меняются значения макроскопических параметров - давления, объёма и температуры.
Особый интерес представляют изопроцессы - термодинамические процессы, в которых значение одного из макроскопических параметров остаётся неизменным. Поочерёдно фиксируя каждый из трёх параметров, мы получим три вида изопроцессов.
1. Изотермический процесс идёт при постоянной температуре газа: T = const.
2. Изобарный процесс идёт при постоянном давлении газа: p = const.
3. Изохорный процесс идёт при постоянном объёме газа: V = const.
Изопроцессы описываются очень простыми законами Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля. Давайте перейдём к их изучению.
Изотермический процесс
При изотермическом процессе температура газа постоянна. В ходе процесса меняются только давление газа и его объём.
Установим связь между давлением p и объёмом V газа в изотермическом процессе. Пусть температура газа равна T . Рассмотрим два произвольных состояния газа: в одном из них значения макроскопических параметров равны p 1 ,V 1 ,T , а во втором - p 2 ,V 2 ,T . Эти значения связаны уравнением Менделеева - Клапейрона:
Как мы сказали с самого начала, масса газа m и его молярная масса µ предполагаются неизменными. Поэтому правые части выписанных уравнений равны. Следовательно, равны и левые части: p 1V 1 = p 2V 2.
Поскольку два состояния газа были выбраны произвольно, мы можем заключить, что в ходе изотермического процесса произведение давления газа на его объём остаётся постоянным :
pV = const.
Данное утверждение называется законом Бойля - Мариотта . Записав закон Бойля - Мариотта в виде
p = ,
можно дать и такую формулировку: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму . Если, например, при изотермическом расширении газа его объём увеличивается в три раза, то давление газа при этом в три раза уменьшается.
Как объяснить обратную зависимость давления от объёма с физической точки зрения? При постоянной температуре остаётся неизменной средняя кинетическая энергия молекул газа, то есть, попросту говоря, не меняется сила ударов молекул о стенки сосуда. При увеличении объёма концентрация молекул уменьшается, и соответственно уменьшается число ударов молекул в единицу времени на единицу площади стенки - давление газа падает. Наоборот, при уменьшении объёма концентрация молекул возрастает, их удары сыпятся чаще и давление газа увеличивается.
Газовые законы. Уравнение Менделеева-Клапейрона.
Экспериментальное исследование свойств газов, проведенное в ХVII-XVIII вв. Бойлем, Мариоттом, Гей-Люссаком, Шарлем, привело к формулировке газовых законов.
1. Изотермический процесс – Т= const.
Закон Бойля-Мариотта: pV =const.
График зависимости p от V приведен на рис.2.1. Чем выше изотерма, тем более высокой температуре она соответствует, T 2 >T 1 .
2. Изобарный процесс– p = const.
Закон Гей-Люссака: .
График зависимости V от T приведен на рис. 2.2. Чем ниже к оси температуры наклонена изобара, тем большему давлению она соответствует, р 2 > p 1 .
3. Изохорный процесс– V =const.
Закон Шарля: .
График зависимости р от Т изображен на рис 2.3. Чем ниже к оси температуры наклонена изохора, тем большему объему она соответствует, V 2 > V 1 .
Комбинируя выражения газовых законов, получим уравнение, связывающее р, V , Т (объединенный газовый закон): .
Постоянная в этом уравнении определяется экспериментально. Для количества вещества газа 1 моль она оказалась равной R=8,31 Дж/(моль×К) и была названа универсальной газовой постоянной.
1 моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Число молекул (структурных единиц) в 1 моле равно числу Авогадро: N A =6,02.10 23 моль -1 . Для R справедливо соотношение: R=k N A
Итак, для одного моля: .
Для произвольного количества газа n = m/m , где m - молярная масса газа. В результате получим уравнение состояния идеального газа, или уравнение Менделеева-Клапейрона .
Клапейрона - Менделеева уравнение, найденная Б. П. Э. Клапейроном (1834) зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа: давлением газа р, его объёмом V и абсолютной температурой Т.
К. у. записывается в виде pV = ВТ, где коэффициент пропорциональности В зависит от массы газа. Д. И. Менделеев, используя Авогадро закон, вывел в 1874 уравнение состояния для 1 моля идеального газа pV = RT, где R - универсальная Газовая постоянная. Для газа, имеющего общую массу М и молекулярную массу (См. Молекулярная масса) μ,
, или pV=NkT,"
где N - число частиц газа, k - Больцмана постоянная. К. у. представляет собой Уравнение состояния, идеального газа, которое объединяет Бойля - Мариотта закон (зависимость между р и V при Т = const), Гей-Люссака закон (См. Гей-Люссака законы) (зависимость V от Т при р = const) и Авогадро закон (согласно этому закону, газы при одинаковых значениях р, V и Т содержат одинаковое число молекул N ).
К. у. - наиболее простое уравнение состояния, применимое с определённой степенью точности к реальным газам при низких давлениях и высоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и др.), когда они близки по своим свойствам к идеальному газу (См. Идеальный газ).
- - выражает связь наклона кривой равновесия двух фаз с теплотой фазового перехода и изменением фазового объёма...
Физическая энциклопедия
- - термодинамич. ур-ние, относящееся к процессам перехода в-ва из одной фазы в другую...
Физическая энциклопедия
- - аналитическая запись задачи о разыскании значений аргументов, при к-рых значения двух данных функций равны...
Математическая энциклопедия
- - математическое утверждение, справедливое для некоторого подмножества всех возможных значений переменной величины. Например, уравнение вида х2=8-2х верно только для определенных значений х...
Научно-технический энциклопедический словарь
- - Требование того, чтобы математическое выражение принимало определенное значение. Например, квадратное уравнение записывается в виде: ах2+bх+с=0...
Экономический словарь
- - КЛАПЕЙРОНА уравнение, зависимость между давлением p, абсолютной температурой T и объемом V идеального газа массы M: pV=BT, где B=M/m . Установлена французским ученым Б.П.Э. Клапейроном в 1834...
Современная энциклопедия
- - устанавливает связь между изменениями равновесных значений темп-ры Т и давления р однокомпонентной системы при фазовых переходах первого рода...
- - найденная Б.П.Э. Клапейроном зависимость между физ. величинами, определяющими состояние идеального газа: pV = BT, где коэф. В зависит от массы газа М и его мол. массы...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- - матем. запись задачи о разыскании значений аргументов, при к-рых значения двух данных функций равны...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- - дифференц. ур-ние, устанавливающее связь между давлением р и термодинамич. темп-рой Т чистого в-ва в состояниях, соответствующих фазовому переходу первого рода...
- - Клапейрона - Менделеева уравнение, - ур-ние состояния идеального газа: pVm =RT, где р - давление, Т - термодинамическая температура газа, Vm - молярный объём газа, R - газовая постоянная...
Большой энциклопедический политехнический словарь
- - Соединение данных чисел при помощи знаков различных действий наз. алгебраическим выражением. Напр. /3. Если выполнить указанные действия, то в результате получим 5...
Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона
- - термодинамическое уравнение, относящееся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую...
- - Клапейрона - Менделеева уравнение, найденная Б. П. Э. Клапейроном зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа: давлением газа р, его объёмом V и абсолютной...
Большая Советская энциклопедия
- - в математике, аналитическая запись задачи о разыскании значений аргументов, при которых значения двух данных функций равны...
Большая Советская энциклопедия
- - математическая запись задачи о разыскании значений аргументов, при которых значения двух данных функций равны...
Большой энциклопедический словарь
"Клапейрона уравнение" в книгах
Уравнение теплопроводности
Из книги Истории давние и недавние автора Арнольд Владимир ИгоревичУравнение теплопроводности Провалился под лёд я без лыж в первые дни мая, переходя по льду входящее теперь в черту Москвы стометровое озеро «Миру - мир». Началось с того, что лёд подо мной стал слегка прогибаться, и под кедами показалась вода. Вскоре я понял, что форма льда
Узор «Уравнение»
Из книги Обувь для дома своими руками автора Захаренко Ольга ВикторовнаУзор «Уравнение» Этот узор вяжется так:1-й и 13-й ряд: *2 п. светлой нити, 2 п. темной нити, 1 п. светлой нити, 1 п. темной нити, 3 п. светлой нити, 1 п. темной нити, 1 п. светлой нити, 2 п. темной нити, 1 п. светлой нити*, повторите от * до *; Узор «Уравнение»2-й и все четные ряды: выполняйте все
Уравнение Дюпона
Из книги МВА за 10 дней. Самое важное из программ ведущих бизнес-школ мира автора Силбигер СтивенУравнение Дюпона Ученые имеют привычку давать простым концепциям импозантные названия. Ваш словарь МВА будет неполон без «уравнения Дюпона». Эта диаграмма показывает, как соотносятся между собой некоторые наиболее важные аналитические коэффициенты, при этом
Уравнение миллионера
Из книги Миллионер за минуту. Прямой путь к богатству автора Хансен Марк ВикторУравнение миллионера Каждые 60 секунд кто-нибудь в мире становится миллионером.Именно так. Новый миллионер «возникает» каждую минуту каждого дня. В мире буквально миллионы миллионеров.Некоторым из этих миллионеров понадобилось 60 лет, чтобы накопить свое богатство.
Уравнение Шредингера; уравнение Дирака
Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз РоджерУравнение Шредингера; уравнение Дирака Выше в этой главе я уже упоминал об уравнении Шредингера, которое является хорошо определенным детерминистским уравнением, во многих отношениях аналогичным уравнениям классической физики. Правила гласят, что до тех пор, пока над
25. Уравнение профессора
Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен25. Уравнение профессора В «Интерстеллар» гравитационные аномалии волнуют профессора Брэнда по двум причинам. Если он поймет их природу, это может привести к революционному скачку в наших познаниях о гравитации, к скачку столь же грандиозному, как эйнштейновская
Клапейрона уравнения
Из книги Энциклопедический словарь (К) автора Брокгауз Ф. А.Клапейрона уравнения Клапейрона уравнения или формулы – выражают зависимость между моментами, действующими в трех последовательных опорных точках неразрезного бруса, т. е. непрерывной балки, поддерживаемой более чем двумя опорами. Уравнений этих можно составить
Аррениуса уравнение
Из книги Большая Советская Энциклопедия (АР) автора БСЭ Клапейрона уравнение Из книги Большая Советская Энциклопедия (КЛ) автора БСЭУравнение
Из книги Большая Советская Энциклопедия (УР) автора БСЭУравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева - Клапейрона).
До этого рассматривались газовые процессы, при которых один из параметров состояния газа оставался неизменным, а два других изменялись. Теперь рассмотрим общий случай, когда изменяются все три параметра состояния газа и получим уравнение, связывающее все эти параметры. Закон, описывающий такого рода процессы, был установлен в 1834г. Клапейроном (французский физик, с 183г. работал в Петербургском институте путей сообщения) путем объединения рассмотренных выше законов.
Пусть имеется некоторый газ массой “m”. На диаграмме (P, V) рассмотрим два его произвольных состояния, определяемых значениями параметров P 1 , V 1 , T 1 и P 2 , V 2 , T 2 . Из состояния 1 в состояние 2 будем переводить газ двумя процессами:
1. изотермического расширения (1®1¢);
2. изохорического охлаждения (1¢®2).
Первый этап процесса описывается законом Бойля-Мариотта, поэтому
Второй этап процесса описывается законом Гей-Люссака:
Исключая из этих уравнений , получим:
Поскольку состояния 1 и 2 были взяты совершенно произвольно, то можно утверждать, что для любого состояния:
где С – постоянная для данной массы газа величина.
Недостатком этого уравнения является то, что величина “C” различна для различных газов, Для устранения этого недостатка Менделеев в 1875г. несколько видоизменил закон Клапейрона, объединив его с законом Авогадро.
Запишем полученное уравнение для объема V км. одного 1 киломоля газа, обозначив постоянную буквой “R”:
Согласно закону Авогадро при одинаковых значениях P и T киломоли всех газов будут иметь одинаковые объемы V км. и, следовательно, постоянная “R” будет одинакова для всех газов.
Постоянная “R”называется универсальной газовой постоянной. Полученное уравнение связывает параметры киломоля идеального газа и, следовательно, представляет уравнение состояния идеального газа.
Значение постоянной “R” можно вычислить:
От уравнения для 1кмоль легко перейти к уравнению для любой массы газа “m”, приняв во внимание, что при одинаковых давлениях и температуре “z” киломолей газа будут занимать в ”z” раз больший объем, чем 1 кмоль. (V=z×V км.).
С другой стороны отношение , где m – масса газа, m – масса 1 кмоля, будет определять число молей газа.
Умножим обе части уравнения Клапейрона на величину , получим
Это и есть уравнение состояния идеального газа, записанное для любой массы газа.
Уравнению можно придать другой вид. Для этого введем величину
где R – универсальная газовая постоянная;
N A – число Авогадро;
Подстановка числовых значений R и N A дает следующее значение:
Умножим и разделим правую часть уравнения на N A , тогда , здесь – число молекул в массе газа “m”.
С учетом этого
Вводя величину – число молекул в единице объема, приходим к формуле:идеальной газовой шкалой температур .
Практически, по международному соглашению, в качестве термометрического тела берут водород . Установленная по водороду с использованием уравнения состояния идеального газа шкала называется эмпирической шкалой температур .
