Зависимость объема от давления формула. Связь между давлением, температурой, объемом и количеством молей газа ("массой" газа). Универсальная (молярная) газовая постоянная R. Уравнение Клайперона-Менделеева = уравнение состояния идеального газа. Проверка з
Темы кодификатора ЕГЭ : изопроцессы - изотермический, изохорный, изобарный процессы.
На протяжении этого листка мы будем придерживаться следующего предположения: масса и химический состав газа остаются неизменными . Иными словами, мы считаем, что:
То есть нет утечки газа из сосуда или, наоборот, притока газа в сосуд;
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 (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: .
2. Изобарный процесс
идёт при постоянном давлении газа: .
3. Изохорный процесс
идёт при постоянном объёме газа: .
Изопроцессы описываются очень простыми законами Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля. Давайте перейдём к их изучению.
Изотермический процесс
Пусть идеальный газ совершает изотермический процесс при температуре . В ходе процесса меняются только давление газа и его объём.
Рассмотрим два произвольных состояния газа: в одном из них значения макроскопических параметров равны , а во втором - . Эти значения связаны уравнением Менделеева-Клапейрона:
Как мы сказали с самого начала,масса и молярная масса предполагаются неизменными.
Поэтому правые части выписанных уравнений равны. Следовательно, равны и левые части:
(1)
Поскольку два состояния газа были выбраны произвольно, мы можем заключить, что в ходе изотермического процесса произведение давления газа на его объём остаётся постоянным :
(2)
Данное утверждение называется законом Бойля - Мариотта .
Записав закон Бойля - Мариотта в виде
(3)
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.
Графики изотермического процесса
Вообще, графики термодинамических процессов принято изображать в следующих системах координат:
-диаграмма: ось абсцисс , ось ординат ;
-диаграмма: ось абсцисс , ось ординат .
График изотермического процесса называется изотермой .
Изотерма на -диаграмме - это график обратно пропорциональной зависимости .
Такой график является гиперболой (вспомните алгебру - график функции ). Изотерма-гипербола изображена на рис. 1 .
Рис. 1. Изотерма на -диаграмме
Каждая изотерма отвечает определённому фиксированному значению температуры. Оказывается, что чем выше температура, тем выше лежит соответствующая изотерма на -диаграмме .
В самом деле, рассмотрим два изотермических процесса, совершаемых одним и тем же газом (рис. 2 ). Первый процесс идёт при температуре , второй - при температуре .
Рис. 2. Чем выше температура, тем выше изотерма
Фиксируем некоторое значение объёма . На первой изотерме ему отвечает давление , на второй - class="tex" alt="p_2 > p_1"> . Но при фиксированном объёме давление тем больше, чем выше температура (молекулы начинают сильнее бить по стенкам). Значит, class="tex" alt="T_2 > T_1"> .
В оставшихся двух системах координат изотерма выглядит очень просто: это прямая, перпендикулярная оси (рис. 3 ):
Рис. 3. Изотермы на и -диаграммах
Изобарный процесс
Напомним ещё раз, что изобарный процесс - это процесс, проходящий при постоянном давлении. В ходе изобарного процесса меняются лишь объём газа и его температура.
Типичный пример изобарного процесса: газ находится под массивным поршнем, который может свободно перемещаться. Если масса поршня и поперечное сечение поршня , то давление газа всё время постоянно и равно
где - атмосферное давление.
Пусть идеальный газ совершает изобарный процесс при давлении . Снова рассмотрим два произвольных состояния газа; на этот раз значения макроскопических параметров будут равны и .
Выпишем уравнения состояния:
Поделив их друг на друга, получим:
В принципе, уже и этого могло бы быть достаточно, но мы пойдём немного дальше. Перепишем полученное соотношение так, чтобы в одной части фигурировали только параметры первого состояния, а в другой части - только параметры второго состояния (иными словами, «разнесём индексы» по разным частям):
(4)
А отсюда теперь - ввиду произвольности выбора состояний! - получаем закон Гей-Люссака :
(5)
Иными словами, при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре :
(6)
Почему объём растёт с ростом температуры? При повышении температуры молекулы начинают бить сильнее и приподнимают поршень. При этом концентрация молекул падает, удары становятся реже, так что в итоге давление сохраняет прежнее значение.
Графики изобарного процесса
График изобарного процесса называется изобарой . На -диаграмме изобара является прямой линией (рис. 4 ):
Рис. 4. Изобара на -диаграмме
Пунктирный участок графика означает, что в случае реального газа при достаточно низких температурах модель идеального газа (а вместе с ней и закон Гей-Люссака) перестаёт работать. В самом деле, при снижении температуры частицы газа двигаются всё медленнее, и силы межмолекулярного взаимодействия оказывают всё более существенное влияние на их движение (аналогия: медленный мяч легче поймать, чем быстрый). Ну а при совсем уж низких температурах газы и вовсе превращаются в жидкости.
Разберёмся теперь, как меняется положение изобары при изменении давления. Оказывается, что чем больше давление, тем ниже идёт изобара на
-диаграмме
.
Чтобы убедиться в этом, рассмотрим две изобары с давлениями и (рис. 5
):
Рис. 5. Чем ниже изобара, тем больше давление
Зафиксируем некоторое значение температуры . Мы видим, что . Но при фиксированной температуре объём тем меньше, чем больше давление (закон Бойля - Мариотта!).
Стало быть, class="tex" alt="p_2 > p_1"> .
В оставшихся двух системах координат изобара является прямой линией, перпендикулярной оси (рис. 6 ):
Рис. 6. Изобары на и -диаграммах
Изохорный процесс
Изохорный процесс, напомним, - это процесс, проходящий при постоянном объёме. При изохорном процессе меняются только давление газа и его температура.
Изохорный процесс представить себе очень просто: это процесс, идущий в жёстком сосуде фиксированного объёма (или в цилиндре под поршнем, когда поршень закреплён).
Пусть идеальный газ совершает изохорный процесс в сосуде объёмом . Опять-таки рассмотрим два произвольных состояния газа с параметрами и . Имеем:
Делим эти уравнения друг на друга:
Как и при выводе закона Гей-Люссака, «разносим» индексы в разные части:
(7)
Ввиду произвольности выбора состояний мы приходим к закону Шарля :
(8)
Иными словами, при постоянном объёме газа его давление прямо пропорционально температуре :
(9)
Увеличение давления газа фиксированного объёма при его нагревании - вещь совершенно очевидная с физической точки зрения. Вы сами легко это объясните.
Графики изохорного процесса
График изохорного процесса называется изохорой . На -диаграмме изохора является прямой линией (рис. 7 ):
Рис. 7. Изохора на -диаграмме
Смысл пунктирного участка тот же: неадекватность модели идеального газа при низких температурах.
Рис. 8. Чем ниже изохора, тем больше объём
Доказательство аналогично предыдущему. Фиксируем температуру и видим, что . Но при фиксированной температуре давление тем меньше, чем больше объём (снова закон Бойля - Мариотта). Стало быть, class="tex" alt="V_2 > V_1"> .
В оставшихся двух системах координат изохора является прямой линией, перпендикулярной оси (рис. 9 ):
Рис. 9. Изохоры на и -диаграммах
Законы Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля называются также газовыми законами .
Мы вывели газовые законы из уравнения Менделеева - Клапейрона. Но исторически всё было наоборот: газовые законы были установлены экспериментально, и намного раньше. Уравнение состояния появилось впоследствии как их обобщение.
Исследования зависимости давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа впервые были произведены в 1787 г. Жаком Александром Сезаром Шарлем (1746 – 1823). Можно воспроизвести эти опыты в упрощенном виде, нагревая газ в большой колбе, соединенной с ртутным манометром М в виде узкой изогнутой трубки (рис. 6).
Пренебрежем ничтожным увеличением объема колбы при нагревании и незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, можно считать объем газа неизменным. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, будем отмечать температуру газа по термометру Т , а соответствующее давление – по манометру М . Наполнив сосуд тающим льдом, измерим давление p 0 , соответствующее температуре 0 °C.
Опыты подобного рода показали следующее.
1. Приращение давления некоторой массы составляет определенную часть α того давления, которая имела данная масса газа при температуре 0 °C. Если давление при 0 °C обозначить через p 0 , то приращение давления газа при нагревании на 1 °C есть p 0 +αp 0 .
При нагревании на τ приращение давления будет в τ раз больше, т.е. приращение давления пропорционально приращению температуры .
2. Величина α, показывающая, на какую часть давления при 0 °C увеличивается давление газа при нагревании на 1 °C, имеет одно и то же значение (точнее, почти одно и тоже) для всех газов, а именно 1/273 °C -1 . Величину α называют температурным коэффициентом давления. Таким образом, температурный коэффициент давления для всех газов имеет одно и то же значение, равное 1/273 °C -1 .
Давление некоторой массы газа при нагревании на 1 °C при неизменном объеме увеличивается на 1/273 часть давления, которое эта масса газа имела при 0 °C (закон Шарля ).
Следует, однако, иметь в виду, что температурным коэффициентом давления газа, полученный при измерении температуры по ртутному манометру, не в точности одинаков для разных температур: закон Шарля выполняется только приближенно, хотя и с очень большой степенью точности.
Формула, выражающая закон Шарля.
Закон Шарля позволяет рассчитывать давление газа при любой температуре, если известно его давление при температуре
0 °C. Пусть давление данной массы газа при 0 °C в данном объеме есть p
0 , а давление того же газа при температуре t
есть p
. Приращение температуры есть t
, следовательно, приращение давления равно αp
0 t
и искомое давление
Этой формулой можно пользоваться также и в том случае, если газ охлажден ниже 0 °C; при этом t будет иметь отрицательные значения. При очень низких температурах, когда газ приближается к состоянию сжижения, а также в случае сильно сжатых газов закон Шарля неприменим и формула (2) перестает быть годной.
Закон Шарля с точки зрения молекулярной теории. Что происходит в микромире молекул, когда температура газа меняется, например, когда температура газа повышается и давление его увеличивается? С точки зрения молекулярной теории возможны две причины увеличения давления данного газа: во-первых, могло увеличиться число ударов молекул за единицу времени на единицу площади, во-вторых, мог увеличиться импульс, передаваемый при ударе в стенку одной молекулой. И та, и другая причина требуют увеличения скорости молекул (напоминаем, что объем данной массы газа остается неизменным). Отсюда становится ясным, что повышение температуры газа (в макромире) есть увеличение средней скорости беспорядочного движения молекул (в микромире).
Некоторые типы электрических ламп накаливания наполняют смесью азота и аргона. При работе лампы газ в ней нагревается примерно до 100 °C. Какое должно быть давление смеси газов при 20 °C, если желательно, чтобы при работе лампы давление газа в ней не превышало атмосферного? (ответ: 0,78 кгс/см 2)
На манометрах ставится красная черта, указывающая предел, свыше которого увеличение газа опасно. При температуре 0 °C манометр показывает, что избыток давления газа над давлением наружного воздуха равен 120 кгс/см 2 . Будет ли достигнута красная черта при повышении температуры до 50 °C, если красная черта стоит на 135 кгс/см 2 ? Давление наружного воздуха принять равным 1 кгс/см 2 (ответ: стрелка манометра перейдет за красную черту)
Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.
1. Изохорический процесс . Закон Шарля. V = const.
Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V . Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля :
При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.
График изохорического процесса на РV -диаграмме называется изохорой . Полезно знать график изохорического процесса на РТ - и VT -диаграммах (рис. 1.6). Уравнение изохоры:
Где Р 0 – давление при 0 °С, α - температурный коэффициент давления газа равный 1/273 град -1 . График такой зависимости на Рt -диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.7.
Рис. 1.7
2. Изобарический процесс. Закон Гей-Люссака. Р = const.
Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р . Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака :
При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.
График изобарического процесса на VT -диаграмме называется изобарой . Полезно знать графики изобарического процесса на РV - и РT -диаграммах (рис. 1.8).
Рис. 1.8
Уравнение изобары:
Где α =1/273 град -1 - температурный коэффициент объёмного расширения . График такой зависимости на Vt диаграмме имеет вид, показанный на рисунке 1.9.
Рис. 1.9
3. Изотермический процесс. Закон Бойля – Мариотта. T = const.
Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.
Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:
При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.
График изотермического процесса на РV -диаграмме называется изотермой . Полезно знать графики изотермического процесса на VT - и РT -диаграммах (рис. 1.10).
Рис. 1.10
Уравнение изотермы:
| (1.4.5) |
4. Адиабатический процесс (изоэнтропийный):
Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.
5. Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.
6. Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N A =6,02·10 23 молекул (число Авогадро).
7. Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов:
 |
(1.4.6) |
Парциальное давление Pn – давление, которое оказывал бы данный газ, если бы он один занимал весь объем.
При 
, давление смеси газов.
Связь между давлением, температурой, объемом и количеством молей газа ("массой" газа). Универсальная (молярная) газовая постоянная R. Уравнение Клайперона-Менделеева = уравнение состояния идеального газа.
|
Ограничения практической применимости:
Внутри диапазона точность уравнения превосходит точность обычных современных инженерных средств измерения. Для инженера важно понимать, что для всех газов возможна существенная диссоциация или разложение при повышении температуры. |
|
|
|
Давайте решим парочку задач относительно газовых объемных и массовых расходов в предположении, что состав газа не изменяется (газ не диссоциирует) - что верно для большинства газов в указанных выше .
Данная задача актуальна в основном, но не только, для применений и устройств, в которых напрямую измеряется объем газа.
V 1 и V 2 , при температурах, соответственно, T 1 и T 2 и, пусть T 1 < T 2 . Тогда мы знаем, что:
Естественно, V 1 < V 2
- показатели объемного счетчика газа тем "весомее", чем ниже температура
- выгодно поставлять "теплый" газ
- выгодно покупать "холодный" газ
Как с этим бороться? Необходима хотя бы простая температурная компенсация, т.е в считающее устройство должна подаваться информация с дополнительного датчика температуры.
Данная задача актуальна в основном, но не только, для применений и устройств, в которых напрямую измеряется скорость газа.
Пусть счетчик () в точке доставки дает объемные накопленные расходы V 1 и V 2 , при давлениях, соответственно, P 1 и P 2 и, пусть P 1 < P 2 . Тогда мы знаем, что:
Естественно, V 1 >V 2 для одинаковых количеств газа при данных условиях. Попробуем сформулировать несколько важных на практике выводов для данного случая:
- показатели объемного счетчика газа тем "весомее", чем выше давление
- выгодно поставлять газ низкого давления
- выгодно покупать газ высокого давления
Как с этим бороться? Необходима хотя бы простая компенсация по давлению, т.е в считающее устройство должна подаваться информация с дополнительного датчика давления.
В заключение, хотелось бы отметить, что, теоретически, каждый газовый счетчик должен иметь и температурную компенсацию и компенсацию по давлению. Практически же......
Поскольку при изобарическом процессе P постоянно, то после сокращения на P формула принимает вид
V 1 /T 1 =V 2 /T 2 ,
V 1 /V 2 =T 1 /T 2 .
Формула является математическим выражением закона Гей-Люссака: при постоянной массе газа и неизменном давлении объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.
Изотермический процесс
Процесс в газе, происходящий при постоянной температуре, называется изотермическим. Изотермический процесс в газе был изучен английским ученым Р.Бойлем и французским ученым Э. Мариотом. Установленная ими опытным путем связь получается непосредственно из формулы путем сокращения на T:
p 1 V 1 =p 2 V 2 ,
p 1 /p 2 =V 1 /V 2.
Формула является математическим выражением закона Бойля - Мариота : при постоянной массе газа и неизменной температуре давление газа обратно пропорционально его объему. Иначе говоря, в этих условиях произведение объёма газа на соответствующее давление есть величина постоянная:
График зависимости p от V при изотермическом процессе в газе представляет собой гиперболу и называется изотермой. На рисунке 3 изображены изотермы для одной и той же массы газа, но при разных температурах Т. При изотермическом процессе плотность газа изменяется прямо пропорционально давлению:
ρ 1 /ρ 2= p 1 /p 2
Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме
Рассмотрим, как зависит давление газа от температуры, когда его масса и объем остаются постоянными. Возьмем закрытый сосуд с газом и, будем нагревать его (рисунок 4). Температуру газа t будем определять с помощью термометра, а давление манометром М.
Сначала поместим сосуд в тающий снег и давление газа при 0 0 С обозначим р 0 , а затем будем постепенно нагревать наружный сосуд и записывать значения р и t для газа.
Оказывается, что график зависимости р и t, построенный на основании такого опыта, имеет вид прямой линии (рисунок 5).
Если продолжить этот график влево, то он пересечется с осью абсцисс в точке А, соответствующей нулевому давлению газа. Из подобия треугольников на рисунке 5, а можно записать:
P 0 /OA=Δp/Δt,
l/OA=Δp/(p 0 Δt).
Если обозначить постоянною l/ОА через α, то получим
α = Δp//(p 0 Δt),
Δp= α p 0 Δt.
По смыслу коэффициент пропорциональности α в описанных опытах должен выражать зависимость изменения давления газа от его рода.
Величина γ, характеризующая зависимость изменения давления газа от его рода в процессе изменения температуры при постоянном объёме и неизменной массе газа, называется температурным коэффициентом давления. Температурный коэффициент давления показывает, на какую часть давления газа, взятого при 0 0 С, изменяется при нагревании на 1 0 С. Выведем единицу температурного коэффициента α в СИ:
α =l ΠA/(l ΠA*l 0 C)=l 0 C -1
При этом длина отрезка ОА получается равной 273 0 С. Таким образом, для всех случаев температура, при которой давление газа должно обращаться в нуль, одинакова и равна – 273 0 С, а температурный коэффициент давления α =1/ОА=(1/273) 0 С -1 .
 |
 |
При решении задач обычно пользуются приближенным значением α равным α =1/ОА=(1/273) 0 С -1 . Из опытов значение α впервые было определено французским физиком Ж. Шарлем, который в 1787г. установил следующий закон: температурный коэффициент давления не зависит от рода газа и равен (1/273,15) 0 С -1 . Заметим, что это верно только для газов, имеющих небольшую плотность, и при небольших изменениях температуры; при больших давлениях или низких температурах α зависит от рода газа. Точно подчиняется закону Шарля лишь идеальный газ. Выясним, как можно определить давление любого газа р, при произвольной температуре t.
Подставив эти значения Δр и Δt в формулу, получим
p 1 -p 0 =αp 0 t,
p 1 =p 0 (1+αt).
Поскольку α~273 0 С, при решении задач формулу можно использовать в следующем виде:
p 1 =p 0
К любому изопроцессу применим объединенный газовый закон с учетом того, что один из параметров остается постоянным. При изохорическом процессе постоянным остается объём V, формула после сокращения на V принимает вид
