Что такое газовые законы

Содержание:

Газовые законы:

С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, при которых сохраняются постоянными масса газа и один из его макроскопических параметров.

Газовыми законами называются законы, определяющие количественную зависимость между двумя макроскопическими параметрами газа данной массы

Закон Бойля-Мариотта

Этот закон был определен в 1662 году английским физиком Робертом Бойлем (1627-1691) и в 1676 году французским физиком Эдом Мариоттом (1620-1684).

Для данной массы газа при неизменной температуре произведение давления газа на его объем постоянно

Для данной массы газа при неизменной температуре произведение давления начального состояния на его первоначальный объем равно произведению значений этих параметров и произвольного состояния:

Изотермическим называется процесс изменения состояния данной массы идеального газа при постоянной температуре В изотермическом процессе давление газа и его объем обратно пропорциональны друг другу (b).

Закон Гей-Люссака

Этот закон был экспериментально установлен в 1802 году французским физиком Джозефом Луи Гей-Люссаком (1778-1850).

Для данной массы газа при неизменном давлении отношение объема газа к его абсолютной температуре постоянно

При неизменном давлении отношение первоначального объема газа к его первоначальной температуре равно отношению параметров к в произвольном состоянии:

Закон Гей-Люссака можно выразить и так:

Для данной массы идеального газа при неизменном давлении относительное

Где -объем идеального газа при постоянном давлении при температуре 0°С, -объем конечного состояния, — коэффициент объемного расширения. Опыты показывают, что при нагревании любого разряженного газа на при постоянном давлении, его объем увеличивается приблизительно на часть объема первоначального состояния:

Изобарным называют процесс изменения состояния данной массы идеального газа при постоянном давлении (с). При изобарном процессе объем данной массы газа прямо пропорционален его температуре.

Закон Шарля

Этот закон экспериментально определил в 1787 году французский физик Шарль Жак Александр Сезар (1746-1823):

Для данной массы газа при постоянном объеме отношение давления газа к его абсолютной температуре остается неизменным

Отношение первоначального давления газа к его температуре равно отношению параметров к в произвольном состоянии:

Закон Шарля можно выразить и так:

Для данной массы идеального газа при неизменном объеме относительное изменение давления прямо пропорционально изменению температуры

Где — давление начального состояния идеального газа (при температуре — давление конечного состояния (при температуре — коэффициент изменения давления. Из опытов было определено, что при нагревании любого разряженного газа на при постоянном объеме, его давление увеличивается приблизительно на часть давления первоначального состояния:

Изохорным называется процесс изменения состояния данной массы идеального газа при постоянном объеме (d). При изохорном процессе давление данной массы газа прямо пропорционально его температуре.

Закон Дальтона

Этот закон в 1801 году установил английский исследователь Джон Дальтон (1766-1844):

Давление смеси химически не взаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений этих газов:

Парциальное давление — это давление отдельно взятого газа из газовой смеси.

Закон Авогадро

Этот закон, как предположение, был выдвинут в 1811 году итальянским физиком Амедео Авогадро (1776-1856). В последующем это предположение было подтверждено многочислеными опытами.

В равных объемах различных газов, взятых при одинаковых температурах и давлении, содержится одинаковое число молекул. Например, число молекул в 1 моле произвольного газа равно: При нормальных условиях объём 1 моля газа равен 22,4 л (л/моль). Этот объём называют молярным объёмом идеального газа.

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Что такое газовые законы

Уравнение состояния идеального газа определяет связь температуры, объема и давления тел.

Уравнение Менделеева-Клапейрона (уравнение состояния идеального газа)

— универсальная газовая постоянная, R = kN_A

Уравнение Клапейрона (объединенный газовый закон)

Частными случаями уравнения являются газовые законы, описывающие изопроцессы в идеальных газах, т.е. процессы, при которых один из макропараметров (T, P, V) в закрытой изолированной системе постоянный.

Количественные зависимости между двумя параметрами газа одной и той же массы при неизменном значении третьего параметра называют газовыми законами.

Газовые законы

Первый газовый закон был открыт английским ученым Р. Бойлем (1627—1691) в 1660 г. Работа Бойля называлась «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». И действительно, газ ведет себя подобно сжатой пружине, в этом можно убедиться, сжимая воздух в обычном велосипедном насосе.

Бойль изучал изменение давления газа в зависимости от объема при постоянной температуре. Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим (от греческих слов isos — равный, therme — тепло).

Независимо от Бойля несколько позднее французский ученый Э. Мариотт (1620—1684) пришел к тем же выводам. Поэтому найденный закон получил название закона Бойля—Мариотта.

Произведение давления газа данной массы на его объем постоянно, если температура не меняется

Закон Гей-Люссака

Сообщение об открытии еще одного газового закона было опубликовано лишь в 1802 г., спустя почти 150 лет после открытия закона Бойля—Мариотта. Закон, определяющий зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении (и неизменной массе), был установлен французским ученым Гей-Люссаком (1778— 1850).

Относительное изменение объема газа данной массы при постоянном давлении прямо пропорционально изменению температуры

Закон Шарля

Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме экспериментально установил французский физик Ж. Шарль (1746—1823) в 1787 г.

Ж. Шарль в 1787 г., т. е. раньше, чем Гей-Люссак, установил и зависимость объема от температуры при постоянном давлении, но он своевременно не опубликовал своих работ.

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре.

Закон Бойля-Мариотта – изотермическ ий процесс

Для данной массы газа произведение давления на объем постоянно, если температура не меняется

Закон Гей-Люссака – изобарный процесс

Для данной массы газа отношение объема к температуре постоянно, если давление не меняется

Закон Шарля –
изохорный процесс

Для данной массы газа отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется

Источник

Что такое газовые законы

Давление (p), объем (V) и температура (T) являются основными параметрами состояния газа.
Всякое изменение состояния газа называется термодинамическим процессом.

Термодинамические процессы, протекающие в газе постоянной массы при неизменном значении одного из параметров состояния газа, называются изопроцессами.
Изопроцессы являются идеализированной моделью реального процесса в газе.

Изопроцессы подчиняются газовым законам.
Газовые законы определяют количественные зависимости между двумя параметрами газа при неизменном значении третьего.
Газовые законы справедливы для любых газов и газовых смесей.

Изотермический процесс (T = const)

Изотермическим процессом называются изменения состояния газа, протекающие при постоянной температуре.
Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта:

Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.

Формулу закона можно записать иначе

где
— параметры газа в разные моменты времени

На графиках представлены изотермы для разных температур газа, где Т₁

Для газа данной массы отношение объема газа к его температуре постоянно, если давление газа не меняется.

Формулу закона можно записать иначе

где
— параметры газа в разные моменты времени

На графиках представлены изобары для разных давлений газа, где р₁

Для газа данной массы отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем газа не меняется.

Формулу закона можно записать иначе

где
— параметры газа в разные моменты времени

На графиках представлены изохоры для разных объемов газа, где V₁ По следам «английских ученых»

Источник

Газовые законы

Газовые законы в физике это количественная зависимость между двумя параметрами газа (д авление и температура) при фиксированном значении третьего параметра.

Закон Бойля-Мариотта — применим только для идеального газа, это один из основных газовых законов, он описывает изотермические процессы в газе.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называется изотермическим.

Что такое газовые законы в физике

Газ идеальным, если молекулы его являются материальными точками и, следовательно, он не имеет собственного объема; кроме того, предполагается, что молекулы газа взаимодействуют между собой только в момент столкновения друг с другом.

Из реально существующих газов к идеальному газу приближаются водород и гелий в очень разреженном состоянии.

Состояние вещества определяют такие параметры:

Как определить состояние газа

Для определения состояния газа нет необходимости брать все его параметры. Для этого достаточно выбрать только несколько основных, которые однозначно определяют состояние газа:

Их называют термодинамическими параметрами.

Давление

Если нет внешних воздействий, газ всегда распределяется равномерно по всему заданному объему. Опыт показывает, что газ, заключенный в сосуд, давит на его стенки. Молекулы, двигаясь беспорядочно, ударяются о стенки сосуда. При ударе о стенку на молекулу действует сила, равная изменению импульса молекулы в единицу времени

По третьему закону Ньютона молекула действует на стенку с такой же по величине, но противоположно направленной силой. Учитывая, что на стенку за время ∆t падает N молекул, найдем полную силу

где п —число молекул в единице объема, V —объем, занимаемый газом. Равенство можно переписать так:

где S — площадь стенки.

При упругом ударе молекулы ее скорость меняется на противоположную, то есть υнач = υ, υконеч = — υ, тогда

Окончательно значение силы

давление газа на стенки сосуда

где υ —средняя скорость молекул (различные молекулы движутся с (различной скоростью).

Вследствие хаотичности молекулярного движения и огромного числа молекул в единице объема можно утверждать,что в любом направлении движется 1 /₆ часть всех молекул.

Тогда можно показать, что давление газа прямо пропорционально количеству молекул в единице объема и их средней кинетической энергии.

Температура в газах

Температура. Понятие температуры — одно из самых распространенных и в то же время самых сложных физических понятий. Обычно температуру определяют как степень нагретости данного тела.

Но это определение является приближенным, недостаточно строгим.

Температура — это одна из важнейших физических величин, которая определяет состояние тела; ее физический смысл раскрывался постепенно по мере развития физики.

Для измерения температуры обычно выбирают какое-то тело и определяют, как изменяется физическая величина в зависимости от температуры.

Определить различие в тепловом состоянии тел можно с помощью третьего тела, называемого термометром.

Выбор единицы для измерения температуры производится по так называемой шкале температур.

Наиболее распространенной температурной шкалой является шкала Цельсия, в основу которой положено тепловое расширение тел. Она называется термометрической температурной шкалой.

Цельсий для построения своей температурной шкалы взял температурный интервал, заключенный между температурами плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении, и разделил его на 100 равных частей.

Одна сотая этого интервала равна градусу Цельсия.

Термодинамическая шкала

Недостаток термометрической шкалы в том, что зависимость какого-то температурного признака, например, размеров тела от температуры, строго говоря, не бывает линейной.

Кельвин предложил так называемую термодинамическую шкалу, названную абсолютной шкалой Кельвина.

Термодинамическая шкала не зависит от свойств термометрического тела. Она основана на втором начале термодинамики, из которого следует, что отношение теплоты Q₁ полученной телом от нагревателя, к теплоте Q₂, отданной им холодильнику, равно отношению температур нагревателя Т₁ и холодильника Т₂

Из этого равенства следует, что, зная одну из температур и измеряя отношение можно определить значение неизвестной темпера-туры.

Нуль градусов по этой шкале равен — 273°С (точнее —273,16°С) и называется абсолютным нулем. В шкале Кельвина величина градуса та же, что и в стоградусной шкале Цельсия.

Температура по шкале Кельвина обозначается Т. Температура t° (стоградусной) шкалы Цельсия связана с абсолютной температурой соотношением:

Процессы, протекающие при постоянстве одного параметра и изменении двух других, называются изопроцессами.

Изотермический процесс

Изотермический процесс происходит при постоянной температуре Т = const. Параметры р и V изменяются, оставаясь связанными соотношением

Произведение давления р данной массы газа на объем V при постоянной температуре есть величина постоянная.

Это положение носит название закона Бойля — Mapuomma.

Кривая, изображающая этот процесс при данной температуре, называется изотермой., Чем больше температура, при которой происходит этот процесс, тем выше располагается изотерма (рис. 2).

Изотермический процесс может протекать в двух направлениях, что соответствует изотермическому расширению и изотермическому сжатию газа.

Поскольку температура газа не изменяется, то при расширении газа тепло к нему должно подводиться извне, а при сжатии — тепло должно отдаваться во внешнюю среду.

Закон Бойля для идеального газа

Закон Бойля — Мариотта применим только для идеального газа. Для реальных газов этот закон приблизительно выполняется при малых давлениях и высоких температурах.

Внутренняя энергия U идеального газа равна сумме кинетической энергии W_к молекул.

Внутренняя энергия реального газа равна сумме потенциальной W_п и кинетической W_к энергии всех молекул.

При малых давлениях и высоких температурах взаимодействие между молекулами мало, а кинетическая энергия молекул велика, поэтому потенциальной энергией можно пренебречь, тогда

При давлениях в сотни атмосфер и выше экспериментальные значения произведения pV уже значительно отличаются от теоретических.

На графике (рис. 3) приведены некоторые данные по сжатию водорода и кислорода при температуре t₀° = 0 ° С, с начальным давлением р₀ = 10 5 (H/м 2 ) и одинаковом начальном объеме V₀ = 22,41 л.

Определение изотермического процесса

Можно доказать, что при изотермическом процессе давление газа изменяется прямо пропорционально его плотности.

Пусть при постоянной температуре ρ₁ — плотность газа при объеме V₁ и давлении р₁, а ρ₂ — плотность газа при объеме V₂ и давлении р₂ тогда

Разделив эти два равенства почленно и заменив отношение объемов отношением давлений по закону Бойля — Мариотта

Изобарический и изохорический процессы

Процесс изменения состояния газа при постоянном давлении называется изобарическим (р = const). Пусть при температуре 0° С объем газа равен V₀, а при температуре t° С — объем V_t, давление при этом постоянно.

Увеличение объема, приходящегося на каждую единицу объема, взятого при 0° С, при нагревании на один градус

β — коэффициент объемного расширения газа при постоянном давлении одинаков для всех идеальных газов и равен

Подставив значение β в равенство и сделав преобразование, получим:

Если при температуре Т₁ определенное количество газа, расширяясь изобарически, имеет объем V_l, а при температуре Т₂ — объем V₂, то

Поделив почленно, получим

Закон Гей-Люссака для изобарического нагревания

Это соотношение получило название закона Гей-Люссака. Из него следует, что объем данной массы газа при изобарическом нагревании прямо пропорционален абсолютной температуре.

Графики изобарического процесса в координатных осях р, V и р,Т (рис. 3, а) не требуют пояснения. Графики в осях V, t° и V, Т (рис. 3, б) строятся по уравнениям (1) и (2).

Процесс изменения состояния газа при постоянном объеме называется изохорическим. Зависимость между давлением и температурой при нагревании данной массы газа постоянного объема выражается законом Шарля

где p_t — давление при температуре t°; р₀ — давление при 0° С;γ — термический коэффициент давления, показывающий на сколько изменяется каждая единица первоначального давления при изменении температуры от 0° до 1° С.

Рассуждая точно так же, как при анализе уравнения закона Гей-Люссака, можно получить такую форму записи закона Шарля

Давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре.

Графики изохорического процесса аналогичны графикам изобарического процесса.

Физический смысл абсолютного нуля

Из графика изохорического процесса в координатах р, t° видно, что с уменьшением температуры давление падает и при какой-то температуре становится равным нулю.

Определим эту температуру из уравнения

Эту температуру, как было сказано выше, назвали абсолютным нулем. Выясним физический смысл абсолютного нуля.

Определение абсолютного нуля

При Т = 0°К давление должно равняться нулю р = 0, но р = (2/3)n₀w _к.ср. или, что то же самое, где п₀ — число молекул в единице объема, w _к.сp — средняя кинетическая энергия молекул, υ_cp — средняя скорость молекул.

Однако п₀ ≠ 0 и m ≠ 0, следовательно, υ_cp = 0, то есть при температуре абсолютного нуля полностью прекращается поступательное движение молекул газа.

Другие виды движения молекул (вращательное и колебательное) могут существовать и при Т = 0°К.

Установлено, что такое состояние вещества недостижимо, но к нему можно подойти очень близко.

Объединенный закон газового состояния

Переход газа из одного состояния в другое может происходить при одновременном изменении параметров р, V, Т.

Будем переводить газ, состояние которого описывается параметрами р₁V₁T₁ в состояние, описываемое параметрами p₂V₂T₂, постепенно, через промежуточное состояние.

Сначала переведем газ изотермически в промежуточное состояние, которое описывается параметрами:

Тогда состояние газа можно описать уравнением закона Бойля — Мариотта

где V — объем при температуре T₁ и давлении р₂.

Из промежуточного состояния перейдем в конечное, которое описывалось бы параметрами p₂V₂T₂. Так как давление газа одинаково в обоих состояниях, то можно применить закон Гей-Люссака

Это соотношение можно записать и так:

Получили уравнение газового состояния для данной массы газа: отношение произведения давления на объем к абсолютной температуре есть величина постоянная.

Универсальная газовая постоянная

Численное значение постоянной В зависит от рода газа, его количества и системы единиц, в которых измеряются р, V, Т.

Так как грамм-молекула любого газа при 0° С и нормальном давлении занимает объем V₀ = 22,4 л, то постоянная В, отнесенная к одному молю газа, будет иметь одно и то же значение для любого газа.

Эту общую для всех газов постоянную обозначают R и называют универсальной газовой постоянной. Численное значение универсальной газовой постоянной в СИ равно

R = 8,31 • 10 3 (Дж/кмоль•град).

Состояние одного моля газа описывается уравнением

Эту формулу можно обобщить и для любой массы газа.

Если через р обозначить массу киломоля данного газа, а через V₀ занимаемый им объем при данных р и Т, то m граммов газа при тех же давлении и температуре займут объем V = (m/μ) V₀.

В связи с этим и величина отношения pV/T для m граммов газа будет в m/μ раз больше газовой постоянной R, то есть

Это уравнение справедливо уже для любой массы любого газа. Обычно его записывают так:

Данное уравнение называют уравнением Менделеева — Клапейрона.

Похожие страницы:

Понравилась статья поделись ей

Источник

• ← Что такое спаренный пулемет
• Что такое стереометрия в геометрии 10 класс →