Как найти температуру в физике мкт - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Определение

Идеальный газ — газ, удовлетворяющий трем условиям:

Молекулы — материальные точки.
Потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежительно мала.
Столкновения между молекулами являются абсолютно упругими.

Реальный газ с малой плотностью можно считать идеальным газом.

Измерение температуры

Температуру можно измерять по шкале Цельсия и шкале Кельвина. По шкале Цельсия за нуль принимается температура, при которой происходит плавление льда. По шкале Кельвина за нуль принимается абсолютный нуль — температура, при котором давление идеального газа равно нулю, и его объем тоже равен нулю.

Обозначение температуры

По шкале Цельсия — t. Единица измерения — 1 градус Цельсия (1 ^oC).
По шкале Кельвина — T. Единица измерения — 1 Кельвин (1 К).

Цена деления обеих шкал составляет 1 градус. Поэтому изменение температуры в градусах Цельсия равно изменению температуры в Кельвинах:

∆t = ∆T

При решении задач в МКТ используют значения температуры по шкале Кельвина. Если в условиях задачи температура задается в градусах Цельсия, нужно их перевести в Кельвины. Это можно сделать по формуле:

T = t + 273

Если особо важна точность, следует использовать более точную формулу:

T = t + 273,15

Пример №1. Температура воды равна ^oC. Определить температуру воды в Кельвинах.

T = t + 273 = 2 + 273 = 275 (К)

Основное уравнение МКТ идеального газа

Давление идеального газа обусловлено беспорядочным движением молекул, которые сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда. Основное уравнение МКТ идеального газа связывает давление и другие макропараметры (объем, температуру и массу) с микропараметрами (массой молекул, скоростью молекул и кинетической энергией).

Основное уравнение МКТ

Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

p=23n−Ek

p — давление идеального газа, n — концентрация молекул газа, −Ek — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.

Выражая физические величины друг через друга, можно получить следующие способы записи основного уравнения МКТ идеального газа:

p=13m0n−v2

m0— масса одной молекулы газа;

n — концентрация молекул газа;

−v2 — среднее значение квадрата скорости молекул газа.

Среднее значение квадрата скорости не следует путать со среднеквадратичной скоростью v, которая равна корню из среднего значения квадрата скорости:

v=√−v2

p=13ρ−v2

ρ — плотность газа

p=nkT

k — постоянная Больцмана (k = 1,38∙10^–3 Дж/кг)

T — температура газа по шкале Кельвина

Пример №2. Во сколько раз уменьшится давление идеального одноатомного газа, если среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул и концентрацию уменьшить в 2 раза?

Согласно основному уравнению МКТ идеального газа, давление прямо пропорционально произведению средней кинетической энергии теплового движения молекул и концентрации его молекул. Следовательно, если каждая из этих величин уменьшится в 2 раза, то давление уменьшится в 4 раза:

Следствия из основного уравнения МКТ идеального газа

Через основное уравнение МКТ идеального газа можно выразить скорость движения молекул (частиц газа):

v=√3kTm0=√3RTM

R — универсальная газовая постоянная, равная произведения постоянной Авогадро на постоянную Больцмана:

R=NAk=8,31 Дж/К·моль

Температура — мера кинетической энергии молекул идеального газа:

−Ek=32kT

T=2−Ek3k

Полная энергия поступательного движения молекул газа определяется формулой:

E=N−Ek

Пример №3. При уменьшении абсолютной температуры на 600 К средняя кинетическая энергия теплового движения молекул неона уменьшилась в 4 раза. Какова начальная температура газа?

Запишем формулу, связывающую температуру со средней кинетической энергией теплового движения молекул, для обоих случаев, с учетом что:

Следовательно:

Составим систему уравнений:

Отсюда:

Задание EF19012

На графике представлена зависимость объёма постоянного количества молей одноатомного идеального газа от средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. Опишите, как изменяются температура и давление газа в процессах 1−2 и 2−3. Укажите, какие закономерности Вы использовали для объяснения.

Алгоритм решения

1.Указать, в каких координатах построен график.

2.На основании основного уравнения МКТ идеального газа и уравнения Менделеева — Клапейрона выяснить, как меняются указанные физические величины во время процессов 1–2 и 2–3.

Решение

График построен в координатах (V;E_k). Процесс 1–2 представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат. Это значит, что при увеличении объема растет средняя кинетическая энергия молекул. Но из основного уравнения МКТ идеального газа следует, что мерой кинетической энергии молекул является температура:

T=2−Ek3

Следовательно, когда кинетическая энергия молекул растет, температура тоже растет.

Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:

pV=νRT

Так как количество вещества одинаковое для обоих состояния 1 и 2, запишем:

νR=p1V1T1=p2V2T2

Мы уже выяснили, что объем и температура увеличиваются пропорционально. Следовательно, давление в состояниях 1 и 2 равны. Поэтому процесс 1–2 является изобарным, давление во время него не меняется.

Процесс 2–3 имеет график в виде прямой линии, перпендикулярной кинетической энергии. Так как температуры прямо пропорциональна кинетической энергии, она остается постоянной вместе с этой энергией. Следовательно, процесс 2–3 является изотермическим, температура во время него не меняется. Мы видим, что объем при этом процессе уменьшается. Но так как объем и давление — обратно пропорциональные величины, то давление на участке 2–3 увеличивается.

Ответ:

• Участок 1–2 — изобарный процесс. Температура увеличивается, давление постоянно.

• Участок 2–3 — изотермический процесс. Температура постоянно, давление увеличивается.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17560

Первоначальное давление газа в сосуде равнялось р₁. Увеличив объём сосуда, концентрацию молекул газа уменьшили в 3 раза, и одновременно в 2 раза увеличили среднюю энергию хаотичного движения молекул газа. В результате этого давление р₂ газа в сосуде стало равным

Ответ:

а) 13p1

б) 2p1

в) 23p1

г) 43p1

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать основное уравнение МКТ идеального газа.

3.Составить уравнения для состояний 1 и 2.

4.Выразить искомую величину.

Решение

Исходные данные:

• Начальное давление: p₀.

• Начальная концентрация молекул: n₁ = 3n.

• Конечная концентрация молекул: n₂ = n.

• Начальная средняя энергия хаотичного движения молекул: E_k1 = E_k.

• Конечная средняя энергия хаотичного движения молекул: E_k2 = 2E_k.

Основное уравнение МКТ:

p=23n−Ek

Составим уравнения для начального и конечного состояний:

p1=23n1−Ek1=233n−Ek=2n−Ek

p2=23n2−Ek2=23n2−Ek=43n−Ek

Отсюда:

n−Ek=p12=3p24

p2=4p16=23p1

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18416

Цилиндрический сосуд разделён неподвижной теплоизолирующей перегородкой. В одной части сосуда находится кислород, в другой – водород, концентрации газов одинаковы. Давление кислорода в 2 раза больше давления водорода. Чему равно отношение средней кинетической энергии молекул кислорода к средней кинетической энергии молекул водорода?

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать основное уравнение МКТ идеального газа.

3.Составить уравнения для обоих газов.

4.Найти отношение средней кинетической энергии молекул кислорода к средней кинетической энергии молекул водорода.

Решение

Анализируя условия задачи, можно выделить следующие данные:

• Концентрации кислорода и водорода в сосуде равны. Следовательно, n₁ = n₂ = n.

• Давление кислорода вдвое выше давления водорода. Следовательно, p₁ = 2p, а p₂ = p.

Запишем основное уравнение идеального газа:

p=23n−Ek

Применим его для обоих газов и получим:

p1=23n1−Ek1 или 2p=23n−Ek1

p2=23n2−Ek2 или p=23n−Ek2

Выразим среднюю кинетическую энергию молекул газа из каждого уравнения:

−Ek1=3pn

−Ek2=3p2n

Поделим уравнения друг на друга и получим:

−Ek1−Ek2=3pn·2n3p=2

Ответ: 2

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18824

В одном сосуде находится аргон, а в другом – неон. Средние кинетические энергии теплового движения молекул газов одинаковы. Давление аргона в 2 раза больше давления неона. Чему равно отношение концентрации молекул аргона к концентрации молекул неона?

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать основное уравнение МКТ идеального газа.

3.Составить уравнения для обоих газов.

4.Найти отношение концентрации молекул аргона к концентрации молекул неона.

Решение

Анализируя условия задачи, можно выделить следующие данные:

• Средние кинетические энергии теплового движения молекул газов одинаковы. Следовательно, −Ek1=−Ek2=−Ek.

• Давление аргона в 2 раза больше давления неона. Следовательно, p₁ = 2p, а p₂ = p.

Запишем основное уравнение идеального газа:

p=23n−Ek

Применим его для обоих газов и получим:

p1=23n1−Ek1 или 2p=23n1−Ek

p2=23n2−Ek2 или p=23n2−Ek

Выразим концентрации молекул газа из каждого уравнения:

n1=3p−Ek

n2=3p2−Ek

Поделим уравнения друг на друга и получим:

n1n2=3p−Ek·2−Ek3p=2

Ответ: 2

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Алиса Никитина | Просмотров: 10.9k

Источник

Основное уравнение мкт газов. Температура

Простейшей моделью
молекулярно-кинетической теории является
модель идеального газа. В кинетической
модели идеального газа молекулы
рассматриваются как идеально упругие
шарики, взаимодействующие между собой
и со стенками только во время упругих
столкновений. Суммарный объем всех
молекул предполагается малым по сравнению
с объемом сосуда, в котором находится
газ. Модель идеального газа достаточно
хорошо описывает поведение реальных
газов в широком диапазоне давлений и
температур. Задача молекулярно-кинетической
теории состоит в том, чтобы установить
связь между микроскопическими
(масса, скорость, кинетическая энергия
молекул) и макроскопическими параметрами
(давление, газ, температура).

В результате каждого
столкновения между молекулами и молекул
со стенкой скорости молекул могут
изменяться по модулю и по направлению;
на интервалах между последовательными
столкновениями молекулы движутся
равномерно и прямолинейно. В модели
идеального газа предполагается, что
все столкновения происходят по законам
упругого удара, то есть подчиняются
законам механики Ньютона.

Используя модель
идеального газа, вычислим давление
газа на стенку сосуда. В процессе
взаимодействия молекулы со стенкой
сосуда между ними возникают силы,
подчиняющиеся третьему закону Ньютона.
В результате проекция υ_x скорости
молекулы, перпендикулярная стенке,
изменяет свой знак на противоположный,
а проекция υ_y скорости, параллельная
стенке, остается неизменной (рис. 1.3.3).

Рисунок
1.3.3.

Упругое
столкновение молекулы со стенкой.

Поэтому изменение
импульса молекулы будет равно 2m₀υ_x,
где m₀ – масса молекулы.

Выделим на стенке
некоторую площадку S (рис. 1.3.4). За
время Δt с этой площадкой столкнутся
все молекулы, имеющие проекцию скорости
υ_x, направленную в сторону стенки,
и находящиеся в цилиндре с основанием
площади S и высотой υ_xΔt.

Рисунок
1.3.4.

Определение
числа столкновений молекул с площадкой
S.

Пусть в единице объема
сосуда содержатся n молекул; тогда число
молекул в объеме цилиндра равно nSυ_xΔt.
Но из этого числа лишь половина движется
в сторону стенки, а другая половина
движется в противоположном направлении
и со стенкой не сталкивается. Следовательно,
число ударов молекул о площадку S за
время Δt равно
Поскольку
каждая молекула при столкновении со
стенкой изменяет свой импульс на величину
2m₀υ_x, то полное изменение
импульса всех молекул, столкнувшихся
за время Δt с площадкой S, равно
По
законам механики это изменение импульса
всех столкнувшихся со стенкой молекул
происходит под действием импульса силы
FΔt, где F – некоторая средняя сила,
действующая на молекулы со стороны
стенки на площадке S. Но по 3-му закону
Ньютона такая же по модулю сила действует
со стороны молекул на площадку S. Поэтому
можно записать:

Разделив обе части на
SΔt, получим:

где p – давление газа
на стенку сосуда.

При выводе этого
соотношения предполагалось, что все n
молекул, содержащихся в единице объема
газа, имеют одинаковые проекции скоростей
на ось X. На самом деле это не так.

В результате
многочисленных соударений молекул газа
между собой и со стенками в сосуде,
содержащем большое число молекул,
устанавливается некоторое статистическое
распределение молекул по скоростям.
При этом все направления векторов
скоростей молекул оказываются
равноправными (равновероятными), а
модули скоростей и их проекции на
координатные оси подчиняются определенным
закономерностям. Распределение молекул
газа по модулю скоростей называется
распределением Максвелла (1860 г.).
Дж. Максвелл вывел закон
распределения молекул газа по скоростям,
исходя из основных положений
молекулярно-кинетической теории. На
рис. 3.2.3 представлены типичные кривые
распределения молекул по скоростям. По
оси абсцисс отложен модуль скорости, а
по оси ординат – относительное число
молекул, скорости которых лежат в
интервале от υ до υ + Δυ. Это число
равно площади выделенного на рис. 1.3.5
столбика.

Рисунок
1.3.5.

Распределение
молекул по скоростям. T₂ > T₁.

Характерными параметрами
распределения Максвелла являются
наиболее вероятная скорость υ_в,
соответствующая максимуму кривой
распределения, и среднеквадратичная
скорость
где

–
среднее значение квадрата скорости.

С ростом температуры
максимум кривой распределения смещается
в сторону больших скоростей, при этом
υ_в и υ_кв увеличиваются.

ВЕРОЯТНОСТЬЮ Р_i
получения некоторого результата
измерения называется предел отношения
количества измерений, давших этот
результат, (N_i)
к полному числу измерений N,
когда N 
.

ЭЛЕМЕНТАРНОЙ вероятностью
dP_V
при измерении величины скорости v
называется вероятность наличия скорости
величиной от v до v
+ dv. Эта вероятность
пропорциональна приращению скорости
dv: dP_V
= F(v) dv,
где коэффициент пропорциональности
F(v) называется
ФУНКЦИЕЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ молекул по
величине скорости. Она может быть
выражена через другие функции распределения

F(v)
= (v_X)(v_Y)(v_Z)4v²
= f(v)4v²
, где (v_X),
(v_Y)
и(v_Z)
— функции распределения для соответствующих
проекций скоростей молекул, а f(v)
— их произведение.

В §98
вы можете найти вывод формул, в частности

СреднЯЯ
скорость
,

СреднЯЯ
квадратичная скорость v_ср.кв
=
.

Наивероятнейшей
называется скорость v_ВЕР,
при которой F(v)
имеет максимум: v_ВЕР
=
.

Чтобы уточнить формулу
для давления газа на стенку сосуда,
предположим, что все молекулы, содержащиеся
в единице объема, разбиты на группы,
содержащие n₁, n₂, n₃ и
т. д. молекул с проекциями скоростей
υ_x1, υ_x2, υ_x3 и т. д.
соответственно. При этом
Каждая
группа молекул вносит свой вклад
в
давление газа. В результате соударений
со стенкой молекул с различными значениями
проекций υ_xi скоростей возникает
суммарное давление

Входящая в это выражение
сумма – это сумма квадратов проекций
υ_x всех n молекул в единичном объеме
газа. Если эту сумму разделить на n, то
мы получим среднее значение
квадрата
проекции
скорости
молекул:

Теперь формулу для
давления газа можно записать в виде

Так как все направления
для векторов скоростей молекул
равновероятны, среднее значение квадратов
их проекций на координатные оси равны
между собой:

Последнее равенство
вытекает из формулы:

Формула для среднего
давления газа на стенку сосуда запишется
в виде

Это уравнение
устанавливает связь между давлением p
идеального газа, массой молекулы m₀,
концентрацией молекул n, средним значением
квадрата скорости
и
средней кинетической энергией

поступательного
движения молекул. Его называют основным
уравнением молекулярно-кинетической
теории газов.

Таким образом, давление
газа равно двум третям средней кинетической
энергии поступательного движения
молекул, содержащихся в единице объема.

В основное уравнение
молекулярно-кинетической теории газов
входит произведение концентрации
молекул n на среднюю кинетическую энергию

поступательного
движения. Если предположить, что газ
находится в сосуде неизменного объема
V, то
(N
– число молекул в сосуде). В этом случае
изменение давления Δp пропорционально
изменению
средней
кинетической энергии.

Возникают вопросы:
каким образом можно на опыте изменять
среднюю кинетическую энергию движения
молекул в сосуде неизменного объема?
Какую физическую величину нужно изменить,
чтобы изменилась средняя кинетическая
энергия
Такой
величиной в физике является температура.

Понятие температуры
тесно связано с понятием теплового
равновесия. Тела, находящиеся в
контакте друг с другом, могут обмениваться
энергией. Энергия, передаваемая одним
телом другому при тепловом контакте,
называется количеством теплоты.

Тепловое равновесие
– это такое состояние системы тел,
находящихся в тепловом контакте, при
котором не происходит теплопередачи
от одного тела к другому, и все
макроскопические параметры тел остаются
неизменными. Температура – это физический
параметр, одинаковый для всех тел,
находящихся в тепловом равновесии.
Возможность введения понятия температуры
следует из опыта и носит название
нулевого закона термодинамики.

Для измерения температуры
используются физические приборы –
термометры, в которых о величине
температуры судят по изменению какого-либо
физического параметра. Для создания
термометра необходимо выбрать
термометрическое вещество (например,
ртуть, спирт) и термометрическую
величину, характеризующую свойство
вещества (например, длина ртутного или
спиртового столбика). В различных
конструкциях термометров используются
разнообразные физические свойства
вещества (например, изменение линейных
размеров твердых тел или изменение
электрического сопротивления проводников
при нагревании).

Термометры должны
быть откалиброваны. Для этого их приводят
в тепловой контакт с телами, температуры
которых считаются заданными. Чаще всего
используют простые природные системы,
в которых температура остается неизменной,
несмотря на теплообмен с окружающей
средой – это смесь льда и воды и смесь
воды и пара при кипении при нормальном
атмосферном давлении. По температурной
шкале Цельсия точке плавления льда
приписывается температура 0 °С, а
точке кипения воды – 100 °С. Изменение
длины столба жидкости в капиллярах
термометра на одну сотую длины между
отметками 0 °С и 100 °С принимается
равным 1 °С. В ряде стран (США) широко
используется шкала Фаренгейта (T_F),
в которой температура замерзающей воды
принимается равной 32 °F, а температура
кипения воды равной 212 °F. Следовательно,

Особое место в физике
занимают газовые термометры
(рис. 1.3.6), в которых термометрическим
веществом является разреженный газ
(гелий, воздух) в сосуде неизменного
объема (V = const), а термометрической
величиной – давление газа p. Опыт
показывает, что давление газа (при
V = const) растет с ростом температуры,
измеренной по шкале Цельсия.

Рисунок
1.3.6.

Газовый
термометр с постоянным объемом.

Чтобы проградуировать
газовый термометр постоянного объема,
можно измерить давление при двух
значениях температуры (например, 0 °C
и 100 °C), нанести точки p₀ и p₁₀₀
на график, а затем провести между ними
прямую линию (рис. 1.3.7). Используя
полученный таким образом калибровочный
график, можно определять температуры,
соответствующие другим значениям
давления. Экстраполируя график в область
низких давлений, можно определить
некоторую «гипотетическую» температуру,
при которой давление газа стало бы
равным нулю. Опыт показывает, что эта
температура равна –273,15 °С и не зависит
от свойств газа. Невозможно на опыте
получить путем охлаждения газ в состоянии
с нулевым давлением, так как при очень
низких температурах все газы переходят
в жидкие или твердые состояния.

Рисунок
1.3.7.

Зависимость
давления газа от температуры при
V = const.

Английский физик
У. Кельвин (Томсон) в 1848 г. предложил
использовать точку нулевого давления
газа для построения новой температурной
шкалы (шкала Кельвина). В этой шкале
единица измерения температуры такая
же, как и в шкале Цельсия, но нулевая
точка сдвинута:

T_К = T_С + 273,15.

В системе СИ принято
единицу измерения температуры по шкале
Кельвина называть кельвином и
обозначать буквой К. Например, комнатная
температура T_С = 20 °С по
шкале Кельвина равна T_К = 293,15 К.

Температурная шкала
Кельвина называется абсолютной шкалой
температур. Она оказывается наиболее
удобной при построении физических
теорий.

Нет необходимости
привязывать шкалу Кельвина к двум
фиксированным точкам – точке плавления
льда и точке кипения воды при нормальном
атмосферном давлении, как это принято
в шкале Цельсия.

Кроме точки нулевого
давления газа, которая называется
абсолютным нулем температуры,
достаточно принять еще одну фиксированную
опорную точку. В шкале Кельвина в качестве
такой точки используется температура
тройной точки воды (0,01 °С), в которой
в тепловом равновесии находятся все
три фазы – лед, вода и пар. По шкале
Кельвина температура тройной точки
принимается равной 273,16 К.

Газовые термометры
громоздки и неудобны для практического
применения: они используются в качестве
прецизионного стандарта для калибровки
других термометров.

Таким образом, давление
разреженного газа в сосуде постоянного
объема V изменяется прямо пропорционально
его абсолютной температуре: p ~ T.
С другой стороны, опыт показывает, что
при неизменных объеме V и температуре
T давление газа изменяется прямо
пропорционально отношению количества
вещества ν в данном сосуде к объему V
сосуда

где N – число молекул
в сосуде, N_А – постоянная Авогадро,
n = N / V – концентрация молекул
(то есть число молекул в единице объема
сосуда). Объединяя эти соотношения
пропорциональности, можно записать:

p = nkT,

где k – некоторая
универсальная для всех газов постоянная
величина. Ее называют постоянной
Больцмана, в честь австрийского физика
Л. Больцмана (1844–1906 гг.), одного из
создателей молекулярно-кинетической
теории. Постоянная Больцмана – одна из
фундаментальных физических констант.
Ее численное значение в СИ равно:

k = 1,38·10^–23 Дж/К.

Сравнивая соотношения
p = nkT с основным уравнением
молекулярно-кинетической теории газов,
можно получить:

Средняя кинетическая
энергия хаотического движения молекул
газа прямо пропорциональна абсолютной
температуре.

Таким образом,
температура есть мера средней
кинетической энергии поступательного
движения молекул.

Следует обратить
внимание на то, что средняя кинетическая
энергия поступательного движения
молекулы не зависит от ее массы.
Броуновская частица, взвешенная в
жидкости или газе, обладает такой же
средней кинетической энергией, как и
отдельная молекула, масса которой на
много порядков меньше массы броуновской
частицы. Этот вывод распространяется
и на случай, когда в сосуде находится
смесь химически невзаимодействующих
газов, молекулы которых имеют разные
массы. В состоянии равновесия молекулы
разных газов будут иметь одинаковые
средние кинетические энергии теплового
движения, определяемые только температурой
смеси. Давление смеси газов на стенки
сосуда будет складываться из парциальных
давлений каждого газа:

p = p₁ + p₂ + p₃ + … = (n₁ + n₂ + n₃ + …)kT.

В этом соотношении
n₁, n₂, n₃, … – концентрации
молекул различных газов в смеси. Это
соотношение выражает на языке
молекулярно-кинетической теории
экспериментально установленный в начале
XIX столетия закон Дальтона: давление
в смеси химически невзаимодействующих
газов равно сумме их парциальных
давлений.

Источник

Физика, 10 класс

Урок №19. Температура. Энергия теплового движения молекул

На уроке рассматриваются понятия: температура и тепловое равновесие; шкалы Цельсия и Кельвина; абсолютная температура как мера средней кинетической энергии теплового движения частиц вещества, зависимость давления от концентрации молекул и температуры.

Глоссарий по теме:

Макроскопические параметры — величины объём V, давление p и температура t, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения.

Температура характеризует степень нагретости тела (холодное, тёплое, горячее).

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние) — физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Тепловым равновесием называют – такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

Тепловым или термодинамическим равновесием, изолированной системы тел, называют состояние, при котором все макроскопические параметры в системе остаются неизменными.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

Абсолютная температура Т прямо пропорциональна температуре Θ (тета), выражаемой в энергетических единицах (Дж).

Абсолютный нуль — предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении.

Абсолютный нуль – температура, при которой прекращается тепловое движение молекул.

Абсолютная шкала температур (Шкала Кельвина) – здесь нулевая температура соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры равна градусу по шкале Цельсия.

Кельвин — единица абсолютной температуры в Международной системе измерений (СИ).

Постоянная Больцмана – коэффициент, связывает температуру Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К).

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии молекул.

Давление газа прямо пропорционально концентрации его молекул и абсолютной температуре Т.

Закон Авогадро – в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул

Обязательная литература:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 195 – 203.

Дополнительная литература:

Смородинский Я.А. Температура. — 3-е издание. — М.: Бюро Квантум, 2007. (Библиотечка «Квант». Вып. 103. Приложение к журналу «Квант» № 5/2007.) С. 5— 25.
Кирик Л.А., Генденштейн Л.Э., Гельфгат И.М.. Задачи по физике. 10-11 классы для профильной школы. – М.: Илекса, 2010. – С. 111-115.
Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 65 – 67.
Орлов В.А., Сауров Ю.А. Практика решения физических задач. 10-11классы. – М.: Вентана-Граф, 2014. – С. 98-99.
http://kvant.mccme.ru/1991/09/idealnyj_gaz_-_universalnaya_f.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Измеряя расположение звёзд на небе, расстояния на земле, время, люди знали, для чего они это делают и изобретали, телескопы, часы, прототипы современных линеек. О температуре такого же сказать было нельзя. О том, что такое тепловое равновесие и что означает степень нагрева тела (температура), существовали разные мнения. Но человек с незапамятных времен точно знал, что, когда два тела плотно соприкасаются, между ними устанавливается, выражаясь современным языком, тепловое равновесие.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходят в состояние теплового равновесия.

Тепловым равновесием называют такое состояние тел, при котором температура во всех точках системы одинакова.

К числу характеристик состояния макроскопических тел (твёрдых тел, жидкостей, газов) и процессов изменения их состояний, относят объём, давление и температуру. Эти величины описывают в целом тела, состоящие из большого числа молекул, а не отдельные молекулы. При этом микроскопические процессы внутри тела не прекращаются при тепловом равновесии: расположения молекул всё время меняются и меняются их скорости при столкновениях.

Величины объём, давление и температуру, характеризующие состояние макроскопических тел без учёта их молекулярного строения, называют макроскопическими параметрами.

Для точной характеристики нагретости тела, необходим прибор, способный измерить температуры тел и дать возможности их сравнения.

Термометр — это прибор для измерения температуры путём контакта с исследуемым телом. Различают жидкостные, газовые термометры, термопары, термометры сопротивления.

В 1597 году Галилей создал термоскоп, в собственных сочинениях учёного нет описания этого прибора, но его ученики засвидетельствовали этот факт. Аппарат представлял собой устройство для поднятия воды при помощи нагревания.

Изобретение термометра, данные которого не зависели бы от перепадов атмосферного давления, произошли благодаря экспериментам физика Э. Торричелли, ученика Галилея.

Во всех приборах, изобретённых в XVIII веке, измерение температуры было относительно расширению столбика воды, спирта или ртути и произвольности выбора начала отсчёта, т.е. нулевой температуры. Наполняющие их вещества замерзали или кипели и этими термометрами нельзя было измерять очень низкие или очень высокие температуры. Необходимо было изобрести такую шкалу, чтобы избавиться от зависимости выбранного вещества, на основе которого формировалось градуирование.

Шкала, предложенная шведским учёным Андерсом Цельсием в 1742 г., точно устанавливала положение двух точек: 0 и 100 градусов. По шкале Цельсия температура обозначается буквой t, измеряется в градусах Цельсия (ºС).

На территории Англии и США используется шкала Фаренгейта. Такая шкала была предложена немецким учёным Даниелем Габриелем Фаренгейтом в 1724 г.: 0 °F — температура смеси снега с нашатырём или поваренною солью, 96 °F —температура здорового человеческого тела, во рту или под мышкой.

Рене Антуан де Реомюр не одобрял применения ртути в термометрах вследствие малого коэффициента расширения ртути. В 1730 году изобрёл водно-спиртовой термометр и предложил шкалу от 0 до 80°.

Шкала Реомюра очень долго использовалась на родине учёного во Франции вплоть до настоящего времени.

Различные жидкости при нагревании расширяются не одинаково. Поэтому расстояния на шкале между нулевой отметкой 0 °C и 100 °C будут разными.

Однако существует способ создать тело, которое приближенно обладает нужными качествами. Это идеальный газ. Было замечено, что в отличие от жидкостей все разряжённые газы – водород, гелий, кислород – расширяются при нагревании одинаково и одинаково меняют своё давление при изменении температуры. Это свойство газов позволяет избавиться в термометрах от одного существенного недостатка шкалы Цельсия – произвольности выбора начала отсчёта, то есть нулевой температуры.

При тепловом равновесии, если давление и объём газа массой m постоянны, то средняя кинетическая энергия молекул газа должна иметь строго определённое значение, как и температура.

Практически такую проверку произвести непосредственно невозможно, но с помощью основного уравнения молекулярно-кинетической теории её можно выразить через макроскопические параметры:

; ; ; ;

Если кинетическая энергия действительно одинакова для всех газов в состоянии теплового равновесия, то и значение давления р должно быть тоже одинаково для всех газов при постоянном значении отношения объёма к числу молекул. Подтвердить или опровергнуть данное предположение может только опыт.

Возьмём несколько сосудов, заполненных различными газами, например, водородом, гелием и кислородом. Сосуды имеют определённые объёмы и снабжены манометрами, для измерения давления газов в сосудах. Массы газов известны, тем самым известно число молекул в каждом сосуде. Приведём газы в состояние теплового равновесия. Для этого поместим их в тающий лёд и подождём, пока не установится тепловое равновесие и давление газов перестанет меняться.

Здесь устанавливается тепловое равновесие и все газы имеют одинаковую температуру 0 °С. При этом показания манометра показывают разное давление р, объёмы сосудов V изначально были разными и число молекул N различно, так как газы, закаченные в баллоны разные. Найдём отношение для водорода всех параметров для одного моля вещества:

Такое значение отношения произведения давления газа на его объём к числу молекул получается для всех газов при температуре тающего льда. Обозначим это отношение через Θ₀ (тета нулевое):

Таким образом, предположение, что средняя кинетическая энергия, а также давление р в состоянии теплового равновесия одинаковы для всех газов, если их объёмы и количества вещества одинаковы или если отношение

Если же сосуды с газами поместить в кипящую воду при нормальном атмосферном давлении, то согласно эксперименту, отношение макроскопических параметров будет также одинаковым для всех газов, но значение будет больше предыдущего

Отсюда следует, что величина Θ растёт с повышением температуры и не зависит от других параметром, кроме температуры. Этот опытный факт позволяет рассматривать величину Θ тета как естественную меру температуры и измерять в энергетических единицах — джоулях.

А теперь вместо энергетической температуры введём температуру, которая будет измеряться в градусах. Будем считать величину тета Θ прямо пропорциональной температуре Т, где k- коэффициент пропорциональности

Так как , то тогда

По этой формуле вводится температура, которая даже теоретически не может быть отрицательной, так как все величины левой части этого равенства больше или равны нулю. Следовательно, наименьшим значением этой температуры является нуль, при любом другом параметре p, V, N равным нулю.

Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или при которой объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулём температуры.

Тепловое движение молекул непрерывно и бесконечно, а при абсолютном нуле молекулы поступательно не двигаются. Следовательно, абсолютный нуль температур при наличии молекул вещества не может быть достигнут. Абсолютный нуль температур — это самая низкая температурная граница, верхней не существует, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказывал М.В. Ломоносов.

В 1848 г. английскому физику Вильяму Томсону (лорд Кельвин) удалось построить абсолютную температурную шкалу (её в настоящее время называют шкалой Кельвина), которая имеет две основные точки 0 К (или абсолютный нуль) и 273К, точка в которой вода существует в трёх состояниях (в твёрдом, жидком и газообразном).

Абсолютная температурная шкала — шкала температур, в которой за начало отсчёта принят абсолютный нуль. Температура здесь обозначается буквой T и измеряется в кельвинах (К).

На шкале Цельсия, есть две основные точки: 0°С (точка, в которой тает лёд) и 100°С (кипение воды). Температура, которую определяют по шкале Цельсия, обозначается t. Шкала Цельсия имеет как положительные, так и отрицательные значения.

Из опыта мы определили значения величины Θ (тета) при 0 °С и 100 °С. Обозначим абсолютную температуру при 0 °С через Т₁, а при 100 °С через Т₂. Тогда согласно формуле:

Отсюда можно вычислить коэффициент k, который связывает температуру в Θ энергетических единицах (Дж) с абсолютной температурой Т (К)

k = 1,38 • 10^-23 Дж/К — постоянная Больцмана.

Зная постоянную Больцмана, можно найти значение абсолютного нуля по шкале Цельсия. Для этого найдём сначала значение абсолютной температуры, соответствующее 0°С:

значение абсолютной температуры.

Один кельвин и один градус шкалы Цельсия совпадают. Поэтому любое значение абсолютной температуры Т будет на 273 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию:

Теперь выведем ещё одну зависимость температуры от средней кинетической энергии молекул. Из основного уравнения молекулярно-кинетической теории и уравнения для определения абсолютной температуры

Здесь видно, что левые части этих уравнений равны, значит правые равны тоже.

Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре.

Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.

Из выведенных формул мы можем получить выражение, которое показывает зависимость давления газа от концентрации молекул и температуры

Из этой зависимости вытекает, что при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одна и та же. Отсюда следует закон Авогадро, известный нам из курса химии.

Закон Авогадро: в равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока.

1. При температуре _______ (37⁰C; 283⁰C; 27⁰C) средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул равна 6,21·10^-21Дж.

Дано:

k = 1,38 • 10-23 Дж/К — постоянная Больцмана

t -?

Решение:

Запишем значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул с зависимостью от абсолютной температуры:

Отсюда выразим Т:

Соотношение между абсолютной температурой и температурой в градусах Цельсия:

Подставим значение абсолютной температуры:

Правильный вариант ответа:

2. При температуре 290 К и давлении 0,8 МПа, средняя кинетическая энергия молекул равна __________ Дж, а концентрация составляет молекул ___________ м^-3.

Дано:

Т = 290К

р = 0,8 МПа =0,8·10⁶ Па

k = 1,38 • 10^-23Дж/К — постоянная Больцмана

Е_к -? n — ?

Решение:

Значение средней кинетической энергии хаотического поступательного движения молекул:

Подставив значение абсолютной температуры, найдём ответ:

Определим концентрацию газа из соотношения:

Правильный вариант ответа: 6·10^-21; 2·10²⁶м^-3.

Источник

Основное уравнение МКТ идеального газа

теория по физике 🧲 молекулярная физика, МКТ, газовые законы

Идеальный газ — газ, удовлетворяющий трем условиям:

Молекулы — материальные точки.
Потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежительно мала.
Столкновения между молекулами являются абсолютно упругими.

Реальный газ с малой плотностью можно считать идеальным газом.

Измерение температуры

Обозначение температуры

По шкале Цельсия — t. Единица измерения — 1 градус Цельсия (1 o C).
По шкале Кельвина — T. Единица измерения — 1 Кельвин (1 К).

Если особо важна точность, следует использовать более точную формулу:

Пример №1. Температура воды равна o C. Определить температуру воды в Кельвинах.

T = t + 273 = 2 + 273 = 275 (К)

Основное уравнение МКТ идеального газа

Основное уравнение МКТ

p = 2 3 . . n − E k

p — давление идеального газа, n — концентрация молекул газа, − E k — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул.

p = 1 3 . . m 0 n − v 2

m 0 — масса одной молекулы газа;

n — концентрация молекул газа;

− v 2 — среднее значение квадрата скорости молекул газа.

p = 1 3 . . ρ − v 2

ρ — плотность газа

k — постоянная Больцмана (k = 1,38∙10 –3 Дж/кг)

T — температура газа по шкале Кельвина

Следствия из основного уравнения МКТ идеального газа

Через основное уравнение МКТ идеального газа можно выразить скорость движения молекул (частиц газа):

v = √ 3 k T m 0 . . = √ 3 R T M . .

R — универсальная газовая постоянная, равная произведения постоянной Авогадро на постоянную Больцмана:

R = N A k = 8 , 31 Д ж / К · м о л ь

Температура — мера кинетической энергии молекул идеального газа:

Полная энергия поступательного движения молекул газа определяется формулой:

Составим систему уравнений:

Алгоритм решения

Решение

Следовательно, когда кинетическая энергия молекул растет, температура тоже растет.

Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:

Так как количество вещества одинаковое для обоих состояния 1 и 2, запишем:

ν R = p 1 V 1 T 1 . . = p 2 V 2 T 2 . .

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Основное уравнение МКТ газов. Температура

Модель идеального газа считается самой простейшей относительно основных положений МКТ. Кинетическая модель идеального газа молекул говорит о том, что при взаимодействии между собой, шарики рассматриваются в качестве идеально упругих. Суммарный объем всех молекул достаточно мал по сравнению с объемом сосуда, в котором находится данный газ. Модель необходима для описания его поведения при различных давлениях и температурах.

Цель молекулярно-кинетической теории – установка связи между макроскопическими и макроскопическими параметрами.

После соударения молекул между собой и стенками сосуда происходит изменение направления движения и времени между интервалами столкновений. Модель идеального газа основывается на законах механики Ньютона, то тесть столкновения соответствуют закону упругого удара.

Чтобы определить давление газа на стенку сосуда, учитывается модель идеального газа. Исходя из этого, происходит возникновение сил, которые подчиняются 3 закону Ньютона. Отсюда получим, что проекция скорости υ x перпендикулярна относительно стенки, а знак меняется на противоположный. Проекция υ y параллельна и постоянна. Это показано на рисунке 3 . 2 . 1 .

Рисунок 3 . 2 . 1 . Упругое столкновение молекулы со стенкой.

Отсюда следует, что изменение импульса можно записать в виде 2 m 0 υ x с массой молекулы, равной m 0 _. Необходимо выделить площадь S , как показано на рисунке 3 . 2 . 2 . По прошествии времени Δ t с S поверхностью столкнутся молекулы с проекциями скорости υ x _, которая направлена в сторону стены, и основанием цилиндра S с высотой υ x Δ t .

Рисунок 3 . 2 . 2 . Определение числа столкновений молекул с поверхностью S .

Если за единицу объема брать сосуд с n -ым количеством молекул, тогда их число в объеме цилиндра нужно обозначить, как n S υ x Δ t . Очевидно, что происходит столкновение только половины имеющихся молекул. Тогда количество ударов о S за время Δ t равняется 1 2 n S v x ∆ t .

При столкновении происходит изменение импульса 2 m 0 υ x . Тогда формула n m 0 v x 2 S ∆ t говорит о полном его изменении за определенный промежуток времени. Исходя из закона механики, изменение импульса всех молекул записывается как F Δ t . Силой F обозначается средняя сила, которая действует на молекулы. Но 3 закон Ньютона говорит о том, что аналогичная сила по модулю оказывает действие на поверхность S . Данное утверждение можно зафиксировать F ∆ t = n m 0 v x 2 S ∆ t .

Далее для упрощения следует разделить равенство на выражение S Δ t . Формула примет вид p = F S = n m 0 v x 2 со значением р , обозначаемым в качестве давления газа на стенку сосуда.

Все молекулы, находящиеся в сосуде на единицу объема, имеют разные проекции скоростей на ось О х . При столкновениях прослеживалось статистическое их распределение по скоростям, причем с разными направлениями векторов их скоростей.

Распределением Максвелла называют распределение молекул газа по модулю скоростей.

Еще в 1860 г Дж. Максвелл вывел закон распределения молекул газа по скоростям, основываясь на основных положениях молекулярно-кинетической теории молекулы. Рисунок 3 . 2 . 3 . наглядно показывает распределения молекул по скоростям с помощью кривых. На оси О х располагается модуль скорости, а на О у – количество молекул, находящихся на интервале от υ до υ + Δ υ . На рисунке 3 . 2 . 3 . данное значение выделено в виде столбика.

Рисунок 3 . 2 . 3 . Распределение молекул по скоростям. T 2 > T 1 .

Характерные параметры распределения Максвелла – это вероятная скорость υ в ,которая соответствует кривой распределения, и среднеквадратичная скорость υ к в = υ 2 → , где υ 2 → обозначающие среднее значение квадрата скорости.

Если растет температура, тогда максимум кривой будет смещен в сторону больших скоростей, то есть υ в и υ к в увеличатся.

Распределение Максвелла

Для записи формулы давления газа необходимо предположить, что все молекулы разделены на n 1 , n 2 , n 3 группы с проекциями υ x 1 , υ x 2 , υ x 3 . Иначе говоря, записываем ∑ i n i = n . Можно зафиксировать, как n i m 0 v x i 2 . Тогда суммарное давление примет вид p = m 0 ∑ i n i v x i 2 .

Данная сумма является суммой квадратов проекций υ x всех n молекул на единичном объеме газа. При делении выражения на n получим среднее значение квадратичной скорости проекции υ x . Запишем в виде 1 n ∑ n i υ x i 2 = v x 2 → i .

Другая интерпретация формулы давления газа p = n m 0 v x 2 → . Все направления векторов различные, потому среднее значение квадратов проекций на координатные оси равняется v x 2 → = v y 2 → = v z 2 → = 1 3 v 2 → .

Формула для среднего давления газа на стенку сосуда обозначим, как p = p → = 1 3 n m 0 v 2 → = 2 3 n m 0 v 2 → 2 = 2 3 n E k → .

Из уравнения видна связь между р и m 0 и количеством молекул n , средней квадратичной скоростью v 2 → и средней кинетической энергией E k → молекул. Такое уравнение получило название уравнения молекулярно-кинетической уравнения теории газов.

Отсюда следует, что давление газа – это две трети средней кинетической энергии, которое имеется в единице объема. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов или строения вещества содержит произведение количества молекул n на E k → . Предположительно сосуд имеет газ неизменного объема V , тогда n = N V = c o n s t ( N — число молекул в сосуде). Изменение давления происходит пропорционально изменению кинетической энергии.

Физика. Температура

Температура связана с понятием теплового равновесия. При контакте тела обмениваются энергией, которая передается и получает название количества теплоты.

Тепловым равновесием называют состояние системы тел, которые находятся в тепловом контакте с теплопередачей и с постоянными макроскопическими параметрами.

Температура — физический параметр, который находится в тепловом равновесии. Введение понятия температуры идет из нулевого закона термодинамики.

Температура измеряется с помощью термометра. Для его создания выбирается термометрическое вещество и величину, которая его характеризует. Разные конструкции подразумевают отличия в их свойствах.

Каждый термометр должен быть откалиброван. Использование природных систем с неизменной температурой необходимо для хорошего теплообмена. Температура плавления льда равняется 0 градусов Цельсия, а точка кипения воды – 100 градусов. Одно маленькое деление из шкалы равняется 1 градусу. Существует обозначение замерзания воды по Фаренгейту, то есть 32 ° F . Получаем, что формула примет вид T F = 9 5 T C + 32 или T C = 5 9 ( T F — 32 ) .

На рисунке 3 . 2 . 4 . изображен газовый термометр, который чаще всего заполняют разряженным гелием, воздухом с неизменным объемом, обозначаемым V = c o n s t , и давлением р . Из опыта видно, что возрастание давления идет с повышением температуры по Цельсию.

Рисунок 3 . 2 . 4 . Газовый термометр с постоянным объемом.

Температура кипения газов при давлении

Чтобы произвести калибровку газового термометра, следует выполнить измерение состояния молекул при 0 и 100 градусах. Для этого мы наносим точки p 0 и p 100 на график, после чего проводим прямую линию, как изображено на рисунке 3 . 2 . 5 . Получившийся калибровочный график способен определить температуру с разными значениями давления. При низких температурах возможно нахождение ее «гипотетической». Из опыта видно, что на свойства газа не влияет температура в — 273 , 15 ° С . При понижении температур газ переходит в жидкое или твердое состояние, поэтому получение охлажденного газа невозможно.

Рисунок 3 . 2 . 5 . Зависимость давления газа от температуры при V = c o n s t .

В 1848 году У. Кельвин предлагает использовать точку нулевого давления газа для составления шкалы. Отличие от измерений температуры в Цельсиях в том, что нулевая точка сдвинута на T К = T С + 273 , 15 .

По системе С И температура измеряется по Кельвину и обозначается К . Тогда комнатная температура запишется T С = 20 ° С , а по Кельвину – T К = 293 , 15 К .

Температура кипения газов. Шкала Кельвина

Температурная шкала Кельвина считается абсолютной. Она наиболее приемлема для обозначения физических теорий.

Шкала Кельвина может быть не привязана двумя фиксированными точками, а именно: точка плавления льда и кипения воды с нормальным атмосферным давлением.

Нулевое давление называется абсолютным нулем температуры.

Шкала Кельвина имеет точку, в которой лед, вода и пар будут находиться в тепловом равновесии. Для калибровки других термометров применяют газовые, так как для практики они не подходят в виду своих больших размеров. Отсюда следует, что давление разреженного газа в сосуде постоянного объема V изменяется прямо пропорционально его абсолютной температуре, то есть p

T . Из опыта видно, что неизменный объем V и температура давления T прямо пропорциональны количеству вещества в сосуде к его объему: p

υ V = N N A V = n N A

n , где N принимает обозначение числа молекул в сосуде, а N А – постоянная Авогадро, n = N V – концентрации молекул.

После объединения соотношений получим, что запись примет вид p = n k T , где k считается универсальной постоянной величиной для всех газов, иначе говоря, постоянная Больцмана. Этот ученый являлся одним из создателей опытного обоснования основных положений молекулярно-кинетической теории. Ее обозначение в системе С И k = 1 , 38 ċ 10 – 23 Д ж / К .

При сравнении соотношения p = n k T с уравнением МКТ газов, получим E K → .

Средняя кинетическая энергия беспорядочного движения молекул газа прямо пропорциональна абсолютной температуре.

Температура является мерой для кинетической энергии молекул, которая не зависит от ее величины. Броуновская частица из жидкости и газа обладает аналогичной средней кинетической энергией, как и другая отдельная молекула. Это суждение верно для разномассовых молекул, находящихся в одном сосуде. Состояние равновесия говорит о том, что на них действуют одинаковые средние кинетические энергии, которые определяются температурой смеси. Запись давления смеси газов запишется как сумма парциальных давлений каждого из них: p = p 1 + p 2 + p 3 + … = ( n 1 + n 2 + n 3 + … ) k T .

Отсюда видно, что n 1 , n 2 , n 3 , … является концентрацией молекул газов в смеси. Выражение относят к молекулярно-кинетической теории, установленной Дальтоном: давление в смеси химически невзаимодействующих газов равняется сумме их парциальных давлений.

Основное уравнение молекулярно кинетической теории газов

Идеальный газ — это просто!

Идеальный газ

Идеальный газ — это физическая модель газа, взаимодействие между молекулами которого пренебрежительно мало.
Понятие «идеальный газ» вводится для математического описания поведения газов.
Реальные разреженные газы ведут себя как идеальный газ!

Свойства идеального газа:
— взаимодействие между молекулами пренебрежительно мало
— расстояние между молекулами много больше размеров молекул
— молекулы — это упругие шары
— отталкивание молекул возможно только при соударении
— движение молекул — по законам Ньютона
— давление газа на стенки сосуда — за счет ударов молекул газа

Скорость молекул газа

В теории газов скорость молекул принято определять через среднее значение квадрата скорости молекул.
Хотя скорости различных молекул сильно отличаются друг от друга, но среднее значение квадрата скорости молекул есть величина постоянная.

Формула для расчета среднего значения квадрата скорости молекул газа:

где
n — число молекул в газе
v — модули скоростей отдельных молекул в газе

В теории газов часто используется понятие кинетической энергии молекул.
Используя среднее значение квадрата скорости молекул, получаем формулу для определения средней кинетической энергии молекул:

Основное уравнение МКТ газа

Основное уравнение МКТ связывает микропараметры частиц (массу молекулы, среднюю кинетическую энергию молекул, средний квадрат скорости молекул) с макропараметрами газа (р — давление, V — объем, Т — температура).

Давление газа на стенки сосуда пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Ниже приведены различные выражения для основного уравнения МКТ:

где
р — давление газа на стенки сосуда(Па)
n — концентрация молекул, т.е. число молекул в единице объема ( 1/м 3 )
— масса молекулы (кг)
— средний квадрат скорости молекул (м 2 /с 2 )
ρ — плотность газа (кг/м 3 )
— средняя кинетическая энергия молекул (Дж)

Давление идеального газа на стенки сосуда зависит от концентрации молекул и пропорционально средней кинетической энергии молекул.

Дополнительные расчетные формулы по теме

Формула для расчета концентрации молекул:

где
N — число молекул газа
V — объем газа (м 3 )

Формула для расчета плотности газа:

где
m_o — масса молекулы (кг)
n — концентрация молекул (1/м 3 )

Молекулярная физика. Термодинамика — Класс!ная физика

источники:

http://zaochnik.com/spravochnik/fizika/molekuljarno-kineticheskaja-teorija/osnovnoe-uravnenie-mkt-gazov-temperatura/

http://class-fizika.ru/10_27.html

Источник

Физическая дисциплина «Термодинамика», имеющая дословный перевод с греческого как θέρμη — «тепло», δύναμις — «сила», занимается изучением общих характеристик макросистем и обращения энергии внутри них. Эту науку относят к феноменологическому типу, хотя опирается она на факты, полученные опытным путем.

Термодинамическая система, рассматриваемая в данном ракурсе, имеет конкретные характеристики, не применимые к единичным атомам и молекулам. К ним относят температуру, энергию, объем, концентрацию растворов, давление.

Определение таких параметров происходит по формулам термодинамики.

Основные формулы

Источник: en.ppt-online.org

Основные формулы термодинамики

Особенностью термодинамики является то, что ее постулаты не касаются взаимодействия отдельных единиц (атомов, молекул), как в молекулярной физике. Предметом изучения предстают общие взаимопревращения энергии, образование теплоты, теплопередача и совершение работы.

Исходя из этого, выделяют основные формулы термодинамики, к которым относятся:

Уравнение Менделеева-Клайперона: (PV=(m/M)*RT). Его смысл — в изменениях трех входящих величин, которые направлены на характеристику состояния идеального газа.
Количество вещества, обозначаемое буквой (ν). (nu=N/NA=m/mu)
Величина, выражающая, сколько одинаковых структурных компонентов (единиц) находится в веществе.
Закон Дальтона: давление смеси газов на стенку сосуда равно сумме давлений каждого входящего в смесь элемента: (p=p1+p2+…pn.)
Главное уравнение МКТ (молекулярно-кинетической теории): (p=2n/3<varepsilon>n=N/V). Выражает математическое соотношение таких параметров, как давление газа и микропараметров: массы молекул, их скорости движения, концентрации.
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа. Для обозначения применяется (E_k), выражается через формулу: (E_k=E_{моля}/NA=3/2ast RT/NA). Ее мерой является абсолютная температура идеального газа, поскольку потенциальная энергия (вследствие взаимодействия молекул друг с другом) равна нулю. Зная, что R/N_A=k, получается формула: (E_k=3/2ast kT).
Давление идеального газа прямо пропорционально концентрации и его температуре: (P=nkT.)
Скорость молекул определяется по формулам:
(V=surd(2kT/m_o)=surd(2RT/mu)) — наиболее вероятная;
(<V>=surd(8kT/pi m_o)=surd(8RT/pimu)) — среднеарифметическая;
(<Vкв>surd(3kT/m_o)=surd(3RT/mu)) — средняя квадратичная.
Сумма кинетических энергий всех молекул определяет внутреннюю энергию всего идеального газа. Математически выражение выглядит так: (U=i/2ast(m/mu)ast RT.)
Формула для определения работы, которую совершает идеальный газ при расширении:( A=P(V_2-V_1).)
Формула первого закона термодинамики: (Q=Delta U+A.)
Для определения удельной теплоемкости вещества применяется математическое выражение: (С=Delta Q/mdT.)
Кроме удельной теплоемкости, существует понятие молярной теплоемкости. Для ее определения применяется формула: (C=cmu). Для изохорного процесса правильная формула принимает вид: (C_v=1/2ast R), для изобарного: (C_p=((i+2)/2)ast R).

Первое начало термодинамики

Согласно первому закону термодинамики, (Q) (количество внутренней теплоты), которое получил газ извне, расходуется на совершение работы (А) и изменение внутренней энергии (U). Формула закона: (Q=Delta U+A).

Первый закон термодинамики

Источник: obrazovaka.ru

На практике газ может быть нагрет либо охлажден. Однако в данном случае рассматривается изотермический процесс, в котором один из характеризующих параметров остается неизменным.

Если процесс изотермичен, в химии включается закон Бойля-Мариота. В нем говорится, что давление газа соотносится к изначальному объему, при стабильной температуре, обратно пропорционально.

(Q=A)

Когда процесс происходит при неизменном объеме, говорят об изохорности. Здесь вступает в действие закон Шарля. В обозначенных условиях то тепло, которое поступило к газу, расходуется на изменение внутренней энергии. Другими словами, (P) пропорционально (T).

(Q=Delta U)

Протекание процессов в идеальном газе при неизменном давлении носит характер изобарного. Здесь действует закон Гей-Люссака, который выражается уравнением:

(Q=Delta U=pDelta V)

Полная формулировка закона гласит: полученное тепло при изобарном процессе расходуется на совершение работы газом, а также изменяет его внутреннюю энергию.

Часть процессов происходят изолированно от внешней среды. Газ не получает дополнительной энергии. Такая ситуация носит название адиабатной и математически записывается: (Q=0). Работа (А) в таком случае выражается: (A=-Delta U.)

Уравнение идеального газа в термодинамике

Молекулы идеального газа постоянно движутся. От того насколько велика скорость их движения, зависит общее состояние газа, а также величина его воздействия, например, на стенки сосуда. Поэтому одним из основных уравнений термодинамики является Клайперона-Менделеева:

(PV=(m/M)ast RT)

В уравнении (m) — единица массы газа, (M) — его молекулярная масса, (R) — универсальная величина, называемая газовой постоянной. Ее значение = 8,3144598. Измеряется в Дж/(моль*кг).

В основе термодинамики лежат и другие газовые постоянные, например, число Авогадро, постоянная Больцмана. Таким образом, (R=kNA.)

Из уравнения Клайперона-Менделеева можно также вычислить массу. Она будет равна произведению плотности на объем: (m=rho V).

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Решение части задач зависит от знания особенностей взаимосвязи между давлением газа и характеристикой кинетической энергии его молекул. Математическое выражение такой зависимости носит название основного уравнения МКТ:

(p=2/3ast nE)

В данном выражении кинетическая энергия обозначена буквой (Е), а концентрация молекул — (n). Каждую из этих величин физики можно найти исходя из соответствующих формул, после чего уравнение для молекулярно-кинетической теории (МКТ) приобретает вид:

(p=nkT)

Куб

Источник: encrypted-tbn0.gstatic.com

Формула теплоемкости и главная формула КПД в термодинамике

Когда теплообмен проявляется передачей телу определенного количества теплоты, его энергия, как и температура, меняются.

То количество теплоты, обозначаемое (Q), которое понадобится для того, чтобы 1 кг определенного вещества нагреется на 1 К, носит определение теплоемкости вещества и обозначается с.

Математическое выражение относительно переданного количества теплоты выглядит формулой:

(Q=cm(t_2-t_1)=cmDelta t)

Измеряется величина в Дж/(кг∙К).

При t2⟩t1, количество теплоты со знаком плюс, следовательно, вещество нагревается. Если наоборот, то Q — со знаком минус, и вещество остывает.

В физике, характеризуя свойства вещества, говорят о его теплоемкости. Это имеет значение, например, при выборе стройматериалов или сырья для изготовления нагревательных приборов. Теплоемкость равна произведению массы на удельную теплоемкость данного тела:

(C=cm)

Учитывая, что в величине теплоемкости уже отражена масса, то сокращенная формула для определения (Q) выглядит так:

(Q=C(t_2-t_1))

С другой стороны, то количество теплоты, которое отдает источник, можно высчитать по формуле:

(Q=Pt.)

В выражении буквой (P) обозначается мощность нагревателя, а (t) — время их контакта.

Конструкция, состоящая из нагревателя, тела-реципиента теплоты и охладителя, носит название тепловой машины. В качестве примера рассматривается двигатель внутреннего сгорания. Как и любой механизм, она имеет такую характеристику, как КПД — коэффициент полезного действия. Для его расчета применяется формула:

(eta=(Q_н-Q_x)/Q_н)

Внутренняя энергия одноатомного и двухатомного идеального газа

Характерной особенностью идеального газа является отсутствие у его составляющих частей потенциальной энергии. Вся внутренняя энергия — это сумма кинетических энергий всех молекул. Она является величиной, прямо пропорциональной температуре идеального газа:

(mw2/2=alpha T)

В этом уравнении:

(alpha T=3Rmu/2Nmu)

Исходя из приведенных формул, величина кинетической энергии поступательного движения идеального газа должна определяться исходя из выражения:

(mv2/2=(3Rmu/2Nmu)ast T)

Поступательное движение характеризуется тремя степенями свободы. На каждую из них приходится одна треть общей кинетической энергии.

Внутренняя энергия газа

Источник: cf.ppt-online.org

Двух- и более атомные молекулы газа характеризуются степенями свободы, касающимися вращательного движения.

Если обозначить число молекул в одном киломоле за (Nμ), то внутренняя энергия идеального газа будет измеряться по формуле:

(Umu=1/2(Rmu Ti))

В формуле (i) — число степеней свобод.

Если газ одноатомный, (i=3), двуатомный — 5, трех- и более — 6.

Внутренняя энергия газа 2

Источник: uslide.ru

Задачи на термодинамику характеризуют распространенные физические процессы, поэтому часть включаются в программы экзаменов. Если для их решения не хватает времени, можно обратиться за помощью в Феникс.Хелп. На профильном сайте вам помогут справиться с любой, даже запутанной задачей, экономя ваши время и силы.

Источник