Зависимость между объемом газа температурой и давлением

Глава 13. Газовые законы

Зависимость между объемом газа температурой и давлением

Задачи на газовые законы часто предлагаются школьникам на едином государственном экзамене.

Для решения этих задач вполне достаточно знать уравнение состояния идеального газа (закон Клапейрона-Менделеева) и уметь использовать его алгебраически и геометрически (для построения графиков зависимости одних параметров газа от других) в простейших ситуациях. Кроме того, нужно понимать, как описываются смеси идеальных газов (закон Дальтона).

Уравнение, связывающее параметры газа друг с другом, называется уравнением состояния. Для идеального газа, взаимодействие молекул которого мало, уравнение состояния имеет вид

(13.1)

где — давление газа, — концентрация молекул газа (число молекул в единице объема), — постоянная Больцмана, — абсолютная (в шкале Кельвина) температура. Учитывая, что , где — число молекул газа, — объем сосуда, в котором находится газ (часто говорят объем газа), получим из (13.1)

(13.2)

Число молекул можно связать с количеством вещества газа : , где — число Авогадро. Поэтому формулу (13.2) можно переписать в виде

(13.2)

где произведение постоянных Авогадро и Больцмана обозначено как . Постоянная = 8,31 Дж/(К•моль) называется универсальной газовой постоянной. Количество вещества газа можно также выразить через его массу и молярную массу этого газа

(13.3)

С учетом (13.3) закон (13.2) можно переписать и в таком виде

(13.4)

Уравнение состояния идеального газа (13.1)-(13.4), которое также называется уравнением (или законом) Клапейрона-Менделеева, позволяет связывать параметры идеального газа и проследить за их изменением в тех или иных процессах.

В школьном курсе физики рассматриваются три изопроцесса, в которых один из трех параметров газа (давление, температура и объем) не изменяется. В изобарическом процессе не изменяется давление газа, в изотермическом — температура, в изохорическом — объем. Изопроцессам отвечают следующие графики зависимости давления от объема, давления от температуры, объема от температуры.

Для изобарического процесса

Первые два графика очевидны. Последний получается так. Из закона Клапейрона-Менделеева следует, что зависимость объема от температуры при постоянном давлении имеет вид

(13.5)

где — постоянная. Графиком функции (13.5) является прямая, продолжение которой проходит через начало координат.

Для изохорического процесса

Второй график следует из соотношения

(13.6)

где — постоянная при постоянном объеме.

Для изотермического процесса

Первый график следует из закона Клапейрона-Менделеева, который при постоянной температуре газа можно привести к виду

(13.7)

где — постоянная. Отсюда следует, что графиком зависимости от в изотермическом процессе является гипербола.

Важнейшее свойство уравнения состояния идеального газа (13.1)-(13.4) заключается в том, что «индивидуальность» газа никак не проявляется в этих законах — единственный параметр собственно газа, входящий в уравнение состояния, — это число молекул.

Например, 1 моль гелия и 1 моль азота, находящиеся в одинаковых объемах и имеющие одинаковые температуры, оказывают одинаковое давление.

Отсюда следует, что и давление смеси идеальных газов определяется суммарным числом молекул всех компонент смеси:

(13.8)

где — число молекул первой, второй, третьей и т.д. компонент смеси, — постоянная Больцмана, — абсолютная температура смеси, — объем сосуда.

Величины , имеющие смысл давления каждой компоненты смеси при условии, что она имела бы такую же температуру и занимала бы весь объем, называются парциальными давлениями компонент. Закон (13.

8) называется законом Дальтона. Рассмотрим теперь в рамках этих законов предложенные выше задачи.

В задаче 13.1.1 из уравнения состояния в форме (13.1), получаем для давления в конце процесса :

т.е. давление газа увеличилось в 6 раз (ответ 1).

Применяя закон Клапейрона-Менделеева (13.2) к первому и второму газам (задача 13.1.2), получаем

где — искомый объем. Сравнивая первую и вторую формулы, заключаем, что (ответ 1).

Закон Клапейрона-Менделеева для газа в начальном и конечном состояниях (задача 13.1.3) дает

где — неизвестная температура. Из сравнения этих формул получаем , т.е. температуру газа в сосуде нужно повысить вдвое (ответ 2).

Из закона Клапейрона-Менделеева для начального и конечного состояний газа в задаче 13.1.4 имеем

Отсюда , т.е. количество вещества газа в сосуде увеличилось в 1,25 раза (ответ 3).

Первым, кто понял, почему жидкость поднимается вместе с трубкой (задача 13.1.5), и почему «природа боится пустоты» (Аристотель), но только до определенного предела, был знаменитый итальянский физик, современник Г. Галилея Э. Торричелли. Давайте рассмотрим рассуждения Торричелли подробно.

Основная идея Торричелли заключалась в том, что атмосферный воздух оказывает давление на все поверхности, с которыми он контактирует. В равновесии жидкость занимает такое положение, чтобы все воздействия на каждый ее элемент компенсировались. Если бы трубка была открыта (см. левый рисунок), то жидкость не поднялась бы в трубке.

Действительно, в этом случае на бесконечно малый элемент жидкости в трубке около поверхности (выделен на рисунке) действовали бы сила со стороны атмосферного воздуха в трубке, направленная вниз.

С другой стороны, атмосферный воздух действует и на остальную поверхность жидкости, и это воздействие благодаря закону Паскаля передается выделенному элементу жидкости в трубке снизу.

Таким образом, воздействие воздуха на поверхность жидкости в трубке и на свободную поверхность жидкости компенсируют друг друга, если уровень жидкости в трубке совпадает с уровнем жидкости в остальном сосуде.

Если же мы поднимаем трубку, выпустив из нее воздух, на рассматриваемый элемент жидкости воздух сверху не действует (его нет в трубке), поэтому воздействие воздуха на свободную поверхность жидкости приведет к тому, что жидкость войдет в трубку и заполнит ее. При вытаскивании трубки жидкость будет подниматься вслед за ней.

Однако при дальнейшем поднятии трубки наступит такой момент, когда воздействие воздуха на свободную поверхность и столба жидкости в трубке сравняются (в этот момент атмосферное давление будет равно гидростатическому давлению жидкости в трубке на уровне свободной поверхности). Дальнейший подъем трубки уже не приведет к поднятию жидкости — атмосферное давление не сможет «держать» столб жидкости большей высоты. Для воды этот столб составляет около 10 м, для ртути, с которой и экспериментировал Э. Торричелли, — 76 сантиметров. Таким образом, жидкость в трубке поднимается благодаря давлению атмосферного воздуха на поверхность воды в сосуде и закону Паскаля (ответ 4).

Сравнивая графики процессов 1, 2, 3 и 4, данные в условии задачи 13.1.6, с графиками изопроцессов, приведенными во введении к настоящей главе, заключаем, что: процесс 1 — изотермический, 2 — изохорический, 3 — изобарический. В процесс 4 меняются и давление, и объем, и температура газа (ответ 4).
В изотермическом процессе давление зависит от объема как ; на диаграмме этот процесс изображается гиперболой. Поэтому изотермическими являются процессы 1 и 3 (задача 13.1.7), но в процессе 1 объем газа убывает. Следовательно, изотермическим расширением является процесс 3 (ответ 3).
Изохорическим охлаждением в задаче 13.1.8 является процесс 4 (см. рисунок) В двух последних задачах этого варианта нужно с помощью закона Клапейрона-Менделеева вычислить один из параметров газа, если даны остальные параметры. В задаче 13.1.9 из закона Клапейрона-Менделеева

получим

(ответ 1).

В задаче 13.1.10 при вычислениях следует не забыть перевести температуру газа в Кельвины. Из закона Клапейрона-Менделеева находим

(ответ 1).

Из уравнения состояния в форме (13.2) следует, что при одинаковых объемах и температурах давление идеального газа определяется только полным числом молекул. Поэтому отношение давления водорода и гелия в задаче 13.2.1 равно 2 (ответ 2).

Поскольку перегородка в задаче 13.2.2 подвижная и находится в равновесии, давления газа в отсеках сосуда слева и справа от перегородки равны. Применяя к ним при этом условии закон Клапейрона-Менделеева, получим

для гелиядля азота

где температуры и массы газов по условию одинаковы. Деля эти уравнения друг на друга, находим отношение объемов частей сосуда

(ответ 4).

Если бы точки, отвечающие состояниям 1 и 2 в задаче 13.2.

3, лежали на одной прямой, продолжение которой проходит через начало координат, то эти состояния принадлежали бы одной и той же изохоре, и, следовательно, объем газа в этих состояниях был одинаковым (см. формулу (13.6)).

Поэтому для сравнения объемов этих состояний построим изохоры, проходящие через точки 1 и 2, и сравним отвечающие им объемы (см. рисунок; изохоры, проходящие через точки 1 и 2, показаны пунктиром).

Из формулы (13.6) следует, что чем больше объем, тем меньше коэффициент перед в зависимости (13.6), и, следовательно, меньше наклон соответствующей изохоры к оси температур. Поэтому изохоре 1 отвечает больший объем, чем изохоре 2, и, следовательно, объем газа в процессе 1-2 уменьшается (ответ 2).

Аналогичные рассуждения в задаче 13.2.4 показывают, что наибольшему давлению отвечает изобара, проходящая через точку (поскольку соответствующая прямая имеет наименьший наклон к оси температур; см. рисунок ниже). Поэтому правильный ответ в этой задаче — 3.

В закон Клапейрона-Менделеева входит абсолютная температура газа, поэтому данные в задаче 13.2.5 значения нужно перевести в Кельвины. В результате для отношения давлений газа в конечном и начальном состояниях получаем

(ответ 4).

Как следует из опыта, при приведении тел в тепловой контакт выравниваются их температуры. Это же касается и частей одного тела или даже компонент смеси газов (задача 13.2.6).

Поэтому температуры компонент смеси будут одинаковы (ответ 1).

Что касается парциальных давлений, плотностей или концентрации компонент смеси, то их значения зависят от количества молекул каждой компоненты смеси и могут быть различны.

Парциальное давление компонент смеси – это давление, которое оказывают только молекулы каждой компоненты. Как следует из формулы (13.

8) парциальное давление любой компоненты можно найти, применяя только к ней закон Клапейрона-Менделеева и считая, что она имеет такую же температуру, как и вся смесь, и занимает такай же объем, как и вся смесь газов.

Поэтому отношение парциальных давлений отдельных компонент смеси равно отношению количеств вещества (или числа молекул) этих компонент. Поэтому для отношения парциальных давлений углекислого газа и гелия в сосуде в задаче 13.2.7 имеем (ответ 2).

Как следует из закона Дальтона, давление смеси газов определяется полным количеством молекул в ней.

Поэтому для анализа изменения давления смеси газов при протекании в ней химической реакции (задача 13.2.8) необходимо исследовать изменение числа молекул.

Гелий не участвует в химической реакции — один моль гелия был и в начальном, и в конечном состоянии смеси. С озоном происходила реакция

т.е. из двух молекул озона в результате реакции получились три молекулы кислорода. Поэтому два моля озона превратились в три моля кислорода, и общее количество вещества смеси стало равно четырем молям. Поэтому давление смеси увеличивается в 4/3 раза (ответ 2).

Поскольку объемы и температуры газов одинаковы (задача 13.2.9), для сравнения их давлений необходимо сравнить число молекул в них.

По условию в одном сосуде находится один моль азота, в другом 1 г водорода (т.е. половина моля) и 3 • 1023 молекул гелия (тоже половина моля).

Поэтому и в одном и в другом сосуде находятся одинаковые количества молекул, и, следовательно, давление газов в них одинаково (ответ 3).

Плотность газа (задача 13.2.10) можно найти из следующей цепочки формул

(ответ 4). Здесь — масса газа, — масса одной молекулы газа.

Источник: https://online.mephi.ru/courses/sge/data/reference_book/13/p13.html

Газовые законы. Изопроцессы. урок. Физика 10 Класс

Зависимость между объемом газа температурой и давлением

На прошлом уроке мы уже сформулировали так называемое уравнение состояния идеального газа – закон, связывающий между собой три макроскопических параметра газа: температуру, давление и объём.

или же

То есть, каким бы ни был переход от одного состояния к другому (что, собственно, и подразумевается под газовым процессом), соотношение между тремя параметрами не меняется (естественно, при неизменном количестве вещества рассматриваемой порции газа).

Теперь же рассмотрим не произвольные процессы, а более частные случаи, когда неизменной величиной является один из макроскопических параметров. Начнём с изотермического процесса.

Определение. Изотермический процесс – процесс перехода идеального газа из одного состояния в другое без изменения температуры. Закон, описывающий связь меду параметрами газа при таком процессе, называется закон Бойля-Мариотта в честь двух учёных, практически одновременно выведших его: англичанина Роберта Бойля и француза Эдма Мариотта (рис. 2). Запишем его:

Для начала запишем уравнения состояния идеального газа при постоянном количестве вещества:

А теперь учитывая:  и 

Получаем:   для любых различных состояний газа, или же просто:

 – закон Бойля-Мариотта

Из этого закона очевидно следует обратно пропорциональная связь давления и объёма: при увеличении объёма наблюдается уменьшение давления, и наоборот. График зависимости меняющихся величин в уравнении, то есть P и V, имеет следующий вид и называется изотермой (рис. 1):

Рис. 1. Графики изотермических процессов в координатах P-V

Такая кривая в математике называется гиперболой. Также следствием закона Бойля-Мариотта является то, что площади показанных на графике прямоугольников равны между собой.

Рис. 2. Роберт Бойль и Эдм Мариотт соответственно (Источник), (Источник)

Рассмотрим следующий изопроцесс – изобарный процесс.

Определение. Изобарный (или изобарический) процесс – процесс перехода идеального газа из одного состояния в другое при постоянном значении давления. Впервые такой процесс рассмотрел французский учённый Жозеф-Луи Гей-Люссак (рис. 4), поэтому закон носит его имя. Запишем этот закон

Снова запишем обычное уравнение состояния: 

А теперь учитывая:  и 

Получаем:   для любых различных состояний газа, или же просто:

 – закон Гей-Люссака

Из этого закона очевидно следует прямо пропорциональная связь между температурой и объёмом: при увеличении температуры наблюдается увеличение объёма, и наоборот. График зависимости меняющихся величин в уравнении, то есть T и V, имеет следующий вид и называется изобарой (рис. 3):

Рис. 3. Графики изобарных процессов в координатах V-T (Источник)

Следует обратить внимание на то, что, поскольку мы работаем в системе СИ, то есть с абсолютной шкалой температур, на графике присутствует область, близкая к абсолютному нулю температур, в которой данный закон не выполняется. Поэтому прямую в области, близкой к нулю, следует изображать пунктирной линией.

Рис. 4. Жозеф Луи Гей-Люссак (Источник)

Рассмотрим, наконец, третий изопроцесс.

Определение. Изохорный (или изохорический) процесс – процесс перехода идеального газа из одного состояния в другое при постоянном значении объёма. Процесс рассмотрен впервые французом Жаком Шарлем (рис. 6), поэтому закон носит его имя. Запишем закон Шарля:

Снова запишем обычное уравнение состояния: 

А теперь учитывая:  и 

Получаем:   для любых различных состояний газа, или же просто:

 – закон Шарля

Из этого закона очевидно следует прямо пропорциональная связь между температурой и давлением: при увеличении температуры наблюдается увеличение давления, и наоборот. График зависимости меняющихся величин в уравнении, то есть T и P, имеет следующий вид и называется изохорой (рис. 5):

Рис. 5. Графики изохорных процессов в координатах V-T

В районе абсолютного нуля для графиков изохорного процесса также существует лишь условная зависимость, поэтому прямую также следует доводить до начала координат пунктиром.

Рис. 6. Жак Шарль (Источник)

Стоит обратить внимание, что именно такая зависимость температуры от давления и объёма при изохорных и изобарных процессах соответственно определяет эффективность и точность измерения температуры с помощью газовых термометров.

Интересен также тот факт, что исторически первыми были открыты именно рассматриваемые нами изопроцессы, которые, как мы показали, являются частными случаями уравнения состояния, а уже потом уравнения Клапейрона и Менделеева-Клапейрона. Хронологически сначала были исследованы процессы, протекающие при постоянной температуре, затем при постоянном объёме а последними – изобарические процессы.

Теперь для сравнения всех изопроцессов мы собрали их в одну таблицу (см рис. 7). Обратите внимание, что графики изопроцессов в координатах, содержащих неизменяющийся параметр, собственно говоря, и выглядят как зависимость константы от какой-либо переменной.

Рис. 7.

На следующем уроке мы рассмотрим свойства такого специфического газа, как насыщенный пар, подробно рассмотрим процесс кипения.

Список литературы

  1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2010.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
  3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Slideshare.net (Источник).  
  2. E-science.ru (Источник). 
  3. Mathus.ru (Источник). 

Домашнее задание

  1. Стр. 70: №  514–518. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. – М.: Дрофа, 2013. (Источник)
  2. Какова зависимость между температурой и плотностью идеального газа при изобарном процессе?
  3. При надувании щёк и объём, и давление во рту возростают пр неизменной температуре. Противоречит ли это закону Бойля-Мариотта? Почему?
  4. *Как будет выглядеть график данного процесса в координатах P-V?

Источник: https://interneturok.ru/lesson/physics/10-klass/osnovy-molekulyarno-kineticheskoy-teorii/gazovye-zakony-izoprotsessy

Зависимость давления газа от объема

Зависимость между объемом газа температурой и давлением

Убе­дим­ся в том, что мо­ле­ку­лы газа дей­стви­тель­но рас­по­ло­же­ны до­ста­точ­но да­ле­ко друг от друга, и по­это­му газы хо­ро­шо сжи­ма­е­мы.Возь­мем шприц и рас­по­ло­жим его пор­шень при­бли­зи­тель­но по­се­ре­дине ци­лин­дра.

От­вер­стие шпри­ца со­еди­ним с труб­кой, вто­рой конец ко­то­рой на­глу­хо за­крыт. Таким об­ра­зом, неко­то­рая пор­ция воз­ду­ха будет за­клю­че­на в ци­лин­дре шпри­ца под порш­нем и в труб­ке.В ци­лин­дре под порш­нем за­клю­че­но неко­то­рое ко­ли­че­ство воз­ду­ха.

Те­перь по­ста­вим на по­движ­ный пор­шень шпри­ца груз. Легко за­ме­тить, что пор­шень немно­го опу­стит­ся. Это озна­ча­ет, что объем воз­ду­ха умень­шил­ся Дру­ги­ми сло­ва­ми, газы легко сжи­ма­ют­ся. Таким об­ра­зом, между мо­ле­ку­ла­ми газа име­ют­ся до­ста­точ­но боль­шие про­ме­жут­ки.

По­ме­ще­ние груза на пор­шень вы­зы­ва­ет умень­ше­ние объ­е­ма газа. С дру­гой сто­ро­ны, после уста­нов­ки груза пор­шень, немно­го опу­стив­шись, оста­нав­ли­ва­ет­ся в новом по­ло­же­нии рав­но­ве­сия.

Это озна­ча­ет, что сила дав­ле­ния воз­ду­ха на пор­шень уве­ли­чи­ва­ет­ся и снова урав­но­ве­ши­ва­ет воз­рос­ший вес порш­ня с гру­зом . А по­сколь­ку пло­щадь порш­ня при этом оста­ет­ся неиз­мен­ной, мы при­хо­дим к важ­но­му за­клю­че­нию.

При умень­ше­нии объ­е­ма газа его дав­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся.

Будем пом­нить при этом, что масса газа и его тем­пе­ра­ту­ра в ходе опыта оста­ва­лись неиз­мен­ны­ми. Объ­яс­нить за­ви­си­мость дав­ле­ния от объ­е­ма можно сле­ду­ю­щим об­ра­зом.

При уве­ли­че­нии объ­е­ма газа рас­сто­я­ние между его мо­ле­ку­ла­ми уве­ли­чи­ва­ет­ся. Каж­дой мо­ле­ку­ле те­перь нужно прой­ти боль­шее рас­сто­я­ние от од­но­го удара со стен­кой со­су­да до дру­го­го.

Сред­няя ско­рость дви­же­ния мо­ле­кул оста­ет­ся неиз­мен­ной .Сле­до­ва­тель­но, мо­ле­ку­лы газа реже уда­ря­ют­ся о стен­ки со­су­да, а это при­во­дит к умень­ше­нию дав­ле­ния газа.

И, на­о­бо­рот, при умень­ше­нии объ­е­ма газа его мо­ле­ку­лы чаще уда­ря­ют­ся о стен­ки со­су­да, и дав­ле­ние газа уве­ли­чи­ва­ет­ся . При умень­ше­нии объ­е­ма газа рас­сто­я­ние между его мо­ле­ку­ла­ми умень­ша­ет­ся

Зависимость давления газа от температуры

В преды­ду­щих опы­тах тем­пе­ра­ту­ра газа оста­ва­лась неиз­мен­ной, и мы изу­ча­ли из­ме­не­ние дав­ле­ния вслед­ствие из­ме­не­ния объ­е­ма газа.

Те­перь рас­смот­рим слу­чай, когда объем газа оста­ет­ся по­сто­ян­ным, а тем­пе­ра­ту­ра газа из­ме­ня­ет­ся. Масса при этом также оста­ет­ся неиз­мен­ной.

Со­здать такие усло­вия можно, по­ме­стив неко­то­рое ко­ли­че­ство газа в ци­линдр с порш­нем и за­кре­пив пор­шень

Из­ме­не­ние тем­пе­ра­ту­ры дан­ной массы газа при неиз­мен­ном объ­е­ме

Чем выше тем­пе­ра­ту­ра, тем быст­рее дви­жут­ся мо­ле­ку­лы газа.

Сле­до­ва­тель­но,

– во-пер­вых, чаще про­ис­хо­дят удары мо­ле­кул о стен­ки со­су­да;

– во-вто­рых, сред­няя сила удара каж­дой мо­ле­ку­лы о стен­ку ста­но­вит­ся боль­ше. Это при­во­дит нас к еще од­но­му важ­но­му за­клю­че­нию. При уве­ли­че­нии тем­пе­ра­ту­ры газа его дав­ле­ние уве­ли­чи­ва­ет­ся. Будем пом­нить, что дан­ное утвер­жде­ние спра­вед­ли­во, если масса и объем газа в ходе из­ме­не­ния его тем­пе­ра­ту­ры оста­ют­ся неиз­мен­ны­ми.

Хранение и транспортировка газов.

За­ви­си­мость дав­ле­ния газа от объ­е­ма и тем­пе­ра­ту­ры часто ис­поль­зу­ет­ся в тех­ни­ке и в быту. Если тре­бу­ет­ся пе­ре­вез­ти зна­чи­тель­ное ко­ли­че­ство газа из од­но­го места в дру­гое, или когда газы необ­хо­ди­мо дли­тель­но хра­нить, их по­ме­ща­ют в спе­ци­аль­ные проч­ные ме­тал­ли­че­ские со­су­ды.

Эти со­су­ды вы­дер­жи­ва­ют вы­со­кие дав­ле­ния, по­это­му с по­мо­щью спе­ци­аль­ных на­со­сов туда можно за­ка­чать зна­чи­тель­ные массы газа, ко­то­рые в обыч­ных усло­ви­ях за­ни­ма­ли бы в сотни раз боль­ший объем.

По­сколь­ку дав­ле­ние газов в бал­ло­нах даже при ком­нат­ной тем­пе­ра­ту­ре очень ве­ли­ко, их ни в коем слу­чае нель­зя на­гре­вать или любым спо­со­бом пы­тать­ся сде­лать в них от­вер­стие даже после ис­поль­зо­ва­ния.

Газовые законы физики.

Физика реального мира в расчетах часто сводится к несколько упрощенным моделям. Наиболее применим такой подход к описанию поведения газов. Правила, установленные экспериментальным путем, были сведены различными исследователями в газовые законы физики и послужили появлению понятия «изопроцесс».

Это такое прохождение эксперимента, при котором один параметр сохраняет постоянное значение. Газовые законы физики оперируют основными параметрами газа, точнее, его физического состояния. Температурой, занимаемым объемом и давлением. Все процессы, которые относятся к изменению одного или нескольких параметров и называются термодинамическими.

Понятие изостатического процесса сводится к утверждению, что во время любого изменения состояния один из параметров остается неизменным. Это поведение так называемого «идеального газа», которое, с некоторыми оговорками, может быть применено к реальному веществу. Как отмечено выше, в реальности все несколько сложнее.

Однако, с высокой достоверностью поведение газа при неизменной температуре характеризуется с помощью закона Бойля-Мариотта, который гласит:

Произведение объема на давление газа — величина постоянная. Это утверждение считается верным в том случае, когда температура не изменяется.

Этот процесс носит название «изотермический». При этом меняются два из трех исследуемых параметров. Физически все выглядит просто. Сожмите надутый шарик. Температуру можно считать неизменной. А в результате внутри шара повысится давление при уменьшении объема. Величина произведения двух параметров останется неизменной.

Зная исходное значение хотя бы одного из них, можно легко узнать показатели второго. Еще одно правило в списке «газовые законы физики» — изменение объема газа и его температуры при одинаковом давлении. Это называется «изобарный процесс» и описывается с помощью закона Гей-Люсака. Соотношение объема и температуры газа неизменно.

Это верно при условии постоянного значения давления в данной массе вещества. Физически тоже все просто. Если хоть раз заряжали газовую зажигалку или пользовались углекислотным огнетушителем, видели действие этого закона «вживую». Газ, выходящий из баллончика или раструба огнетушителя, быстро расширяется. Его температура резко падает.

Можно обморозить кожу рук. В случае с огнетушителем — образуются целые хлопья углекислотного снега, когда газ под воздействием низкой температуры быстро переходит в твердое состояние из газообразного. Благодаря закону Гей-Люсака, можно легко узнать температуру газа, зная его объем в любой момент времени.

Газовые законы физики описывают и поведение при условии неизменного занимаемого объема. Такой процесс называется изохорным и описывается законом Шарля, который гласит: При неизменном занимаемом объеме, отношение давления к температуре газа остается неизменным в любой момент времени.

В реальности все знают правило: нельзя нагревать баллончики от освежителей воздуха и прочие сосуды, содержащие газ под давлением. Дело кончается взрывом. Происходит именно то, что описывает закон Шарля. Растет температура. Одновременно растет давление, так как объем не меняется.

Происходит разрушение баллона в момент, когда показатели превышают допустимые. Так что, зная занимаемый объем и один из параметров, можно легко установить значение второго. Хотя газовые законы физики описывают поведение некой идеальной модели, их можно легко применять для предсказания поведения газа в реальных системах.

Особенно в быту, изопроцессы могут легко объяснить, как работает холодильник, почему из баллончика освежителя вылетает холодная струя воздуха, из-за чего лопается камера или шарик, как работает разбрызгиватель и так далее.

Основы МКТ.

Молекулярно-кинетическая теория вещества— способ объяснения тепловых явлений, который связывает протекание теп­ловых явлений и процессов с особенностя­ми внутреннего строения вещества и изу­чает причины, которые обусловливают теп­ловое движение. Эта теория получила при­знание лишь в XX в., хотя исходит из древнегреческого атомного учения о стро­ении вещества.

Молекулярно-кинетическая тео­рия объясняет тепловые явле­ния особенностями движения и взаимодействия микрочастиц вещества

Молекулярно-кинетическая теория основывается на законах классичес­кой механики И. Ньютона, которые позво­ляют вывести уравнение движения микро­частиц.

Тем не менее в связи с огромным их количеством (в 1 см3 вещества находится около 1023 молекул) невозможно ежесекундно с помощью законов классичес­кой механики однозначно описать движение каждой молекулы или атома.

Поэтому для построения современной теории теплоты ис­пользуют методы математической статистики, которые объясняют течение тепловых явле­ний на основании закономерностей поведе­ния значительного количества микрочастиц.

Молекулярно-кинетическая тео­рия построена на основании обобщенных уравнений движе­ния огромного количества мо­лекул.

Молекулярно-кинетическая теория объяс­няет тепловые явления с позиций пред­ставлений о внутреннем строении вещества, то есть выясняет их природу. Это более глубокая, хотя и более сложная теория, которая объясняет сущность тепловых явле­ний и обусловливает законы термодинамики.

Оба существующих подхода — термодинамический подход и молекулярно-кинетическая теория — научно доказаны и взаимно дополняют друг друга, а не проти­воречат друг другу. В связи с этим изучение тепловых явлений и процессов обычно рассматривается с позиций или моле­кулярной физики, или термодинамики, в зависимости от того, как проще изложить материал.

Термодинамический и молекулярно-кинетический подходы взаимно дополняют друг друга при объяснении тепловых явлений и процессов.

Дата добавления: 2018-02-15; просмотров: 2506;

Источник: https://studopedia.net/1_35767_zavisimost-davleniya-gaza-ot-ob-ema.html

Закон Шарля. Изохора

Зависимость между объемом газа температурой и давлением

  • Справочник
  • Законы
  • Законы термодинамики
  • Закон Шарля. Изохора

В 1787 году Ж. Шарль экспери­ментально установил, что при постоянном объеме давление данной массы газа прямо про­порционально температуре.

Закон Шарля При неизменном объеме V отношение давления p данной массы газа m к его абсолютной температуре T есть величина постоянная.

Термодинамический процесс, во время которого объем остается неизменным, называется изохорным (от греческих слов isos — равный и chora — занимаемое место), а линия, которая его изображает — изохорой

Математически закон Ж. Шарля можно записать в виде:

\( \dfrac{p}{T} = const \) если \( m = const, V = const \)

Закон Шарля может быть записан в виде:

\[ p = \dfrac{p_0}{T_0}T = p_0 \alpha_p T \]

где p0 – давление газа при T = T0 = 273,15 К (то есть при температуре 0 °С). Коэффициент, равный 1/273,15 К–1, называют температурным коэффициентом давления

Для сравнения того же вещества при двух различных условиях, закон можно записать в виде:

\( \dfrac{P_1}{T_1} = \dfrac{P_2}{T_2} \) или \( P_1 \cdot T_2 = P_2 \cdot T_1 \)

Закон Шарля справедлив только для идеального газа. Он применим с определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и невысоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и пр.)

Согласно закону Шарля изохорные процессы происходят так, что между давлением и температурой идеального газа существует линейная зависимость — при повышении температуры данной массы газа его давление возрастает.

Закон Шарля выводится как частный случай из уравнения Менделеева–Клапейрона:

\( p\cdot V = v\cdot R\cdot T \)

где R – универсальная газовая постоянная (R = 8,31441 Дж/моль∙К), ν – число молей вещества, P – давление газа, V – объем газа, T – температура газа.

Он может быть получен как следствие основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа:

\( p = n \cdot k \cdot T \)

где k = 1,38 Дж/К – постоянная Больцмана

График изохорного процесса

  • Закон Амонтона о давлении и температуре: закон давления, описанный выше, должен быть на самом деле приписан Гильому Амонтону, который в конце XVII века (точнее между 1700 и 1702 годом) обнаружил, что давление фиксированной массы газа, поддерживаемого при постоянном объёме, пропорционально его температуре. Амонтон обнаружил это при постройке «воздушного термометра». Называть это закон законом Гей-Люссака просто некорректно, поскольку Гей-Люссак исследовал взаимосвязь между объёмом и температурой, а не давлением и температурой.
  • Закон Шарля был известен как закон Шарля и Гей-Люссака, поскольку Гей-Люссак опубликовал его в 1802 году с использованием по большей части неопубликованных с 1787 года данных Шарля. Закон Гей-Люссака, закон Шарля и закон Бойля — Мариотта все вместе образуют объединённый газовый закон. В сочетании с законом Авогадро эти три газовых закона обобщаются до уравнения состояния идеального газа.
  • Пользуясь этим законом, производят, например, расчет предохранительных клапанов паровых котлов, давления газа при К сгорании горючей смеси в карбюраторном двигателе.

Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!

  • Закон Бойля-Мариотта. Изотермаесли при постоянной темпе­ратуре происходит термодинамический про­цесс, вследствие которого газ переходит из одного состояния (p1 и V1) в другое (p2 и V2), то произведение давления на объем данной массы газа при постоянной температуре яв­ляется постоянным: pV = const.
  • В равных объемах газов (V) при одинаковых условиях (температуре Т и давлении Р) содержится одинаковое число молекул.
  • Первый закон термодинамикиКоличество теплоты, которое подводится к системе, расходуется на совершение данной системой работы (против внешних сил) и изменение ее внутренней энергии.
  • Второй закон термодинамикиНевозможно создать круговой процесс, результатом которого станет исключительно превращение теплоты, которое получено от нагревателя, в работу.
  • Закон Гей-Люссака. ИзобараПри постоянном давлении относительное изменение объема газа данной массы прямо пропорционально изменению тем­пературы:
  • Закон всемирного тяготенияМежду любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки
  • Тангенс и котангенс. Формулы и определение Тангенс tg(x) — это отношение синуса sin(x) к косинусу cos(x). Котангенс ctg(x) — это отношение косинуса cos(x) к синусу sin(x).
  • Сколько километров в узле?Один морской узел равен одной тысяче восемьсот пятьдесят двум метрам или одному километру восемьсот пятьдесят двум метрам
  • 1 Ампер это сила тока, при которой через проводник проходит заряд 1 Кл за 1 сек.

Источник: https://calcsbox.com/post/zakon-sarla.html

Зависимость между объемом, давлением и температурой углеводородных газов — Студопедия

Зависимость между объемом газа температурой и давлением

В пласте газ может залегать в условиях самых различных давлений и температур. Для количественных определений и для изучения свойств газа в пластовых условиях нужно знать зависимости между объемом, давлением и температурой углеводородных газов. Эти соотношения для реальных газов значительно сложнее, чем для идеальных. Состояние идеальных газов выражается уравнением

РV = МRТ (10.5)

где р — давление газов в н/м2;

V — объем, занимаемый газом при данном давлении, в м3; Т — абсолютная температура в град;

М — масса газа в кг;

R — газовая постоянная в дж/(кг-град).

Причину и направление отклонений реальных газов от уравнения (10.5) можно установить, рассматривая основные исходные положения кинетической теории газов.

Уравнение (10. 5) соответствует состоянию идеального газа, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом. Молекулы же реальных газов обладают определенными размерами и взаимодействуют между собой. Реальный газ наиболее соответствует идеальному при низких давлениях.

С повышением давления молекулы газа сближаются и силы притяжения между ними помогают внешним силам, сжимающим газ. Вследствие этого реальные газы сжимаются сильнее, чем идеальные, при тех же условиях.

Когда реальный газ сильно сжат, межмолекулярные расстояния настолько уменьшаются, что отталкивающие силы начинают оказывать большие сопротивления дальнейшему уменьшению объема. В этих условиях реальный газ сжимается меньше, чем идеальный.

Эти отклонения свойств реальных газов от свойств идеальных газов столь значительны, что на практике их нельзя не учитывать.

Рис. 10.1. Коэффициенты сжимаемости для нефтяного газа

Для определения степени отклонения сжимаемости реальных газов от идеальных пользуются коэффициентом сжимаемости Z, который показывает отношение объема реального газа к объему идеального газа при одних и тех же условиях. Тогда уравнение (10. 5) принимает вид:

РV = ZMRT. (10.6)

Для нефтяных газов значение коэффициента сжимаемости можно найти приближенно по кривым Брауна, приведенным на рис. 10.1.

Коэффициент сжимаемости на этих кривых поставлен в зависимость от так называемых приведенного давления и приведенной температуры.

Приведенные давление и температура данного состава газа определяются по формулам

(10.7)

где р и Т — давление и температура газа;

pкpi и Ткpi — критические давление и температура i-ro компонента;

и – среднекритические (псевдокритические) температура и давление;

уi — мольная концентрация i-ro компонента в газе.

Различные газы, имеющие одинаковые приведенные температуру и давление, находятся в «соответственных состояниях».

По принципу соответственных состояний термодинамические свойства веществ (в том числе и коэффициенты сжимаемости различных газов), имеющих одинаковые приведенные температуры и давления, приблизительно одинаковы, так как при этом различные газы находятся как бы в одинаковом относительном приближении к жидкому состоянию.

Поэтому графики коэффициента сжимаемости Z в приведенных координатах для углеводородов одного гомологического ряда совпадают с точностью, достаточной для практики. На этом основании график, приведенный на рис. 10.

1, можно использовать для вычисления удельного объема и других параметров любого газа (в том числе и газовых смесей), если известны его критические параметры.

Если известны объем газа Vo при нормальных условиях (р0 и То), то объем его при других давлениях и температурах (р и Т) можно найти, исходя из закона Гей-Люссака:

, (10.8)

где То = 273°.

Для перехода от объема в нормальных условиях к объему, занимаемому этим же количеством газа в пластовых условиях, служит объемный коэффициент. Численно он равен объему, который занял бы один кубический метр газа в пластовых условиях.

Из уравнения (10. 8) объемный коэффициент газа будет

(10.9)

Вязкость газа. При низких давлениях вязкость газа не зависит от давления и возрастает с увеличением температуры.

В пределах одного гомологического ряда углеводородов вязкость индивидуальных газов уменьшается с возрастанием молекулярной массы. Эти закономерности можно объяснить, исходя из кинетической теории газов, согласно которой зависимость динамической вязкости газа от его плотности, скорости молекул и длины их пробега определяется уравнением

Рис. 10.2. Зависимость вязкости углеводородных газов с различной молекулярной массой от давления и температуры

(10.10)

где r — плотность газа;

l — средняя длина свободного пути молекул;

u — средняя скорость движения молекул.

Из трех величин (r, l и u), входящих в уравнение (10.10), скорость молекул не зависит от давления. Две же другие с увеличением давления изменяются в противоположных направлениях — плотность растет, а средняя длина свободного пробега молекул уменьшается. В итоге вязкость газа при низких давлениях (рис. 10.2) не зависит от изменения давления.

Из уравнения (10.10) видно также, что с увеличением температуры вязкость при низких давлениях должна возрастать, так как при этом скорость движения молекул увеличивается.

При увеличении давления вследствие уплотнения газа вязкость его с повышением температуры изменяется аналогично изменению вязкости жидкости – повышение температуры приводит к уменьшению вязкости газов (рис.10.2).

10.3. Общие сведения о транспорте газа

В общее понятие «транспорт газа» входит транспорт газа в сжиженном и газообразном состоянии. Способы транспорта этих газов существенно отличаются друг от друга.

Сжиженные углеводородные газы (смесь пропана, бутана, изобутана) отличаются тем, что при небольшом давлении и нормальной температуре их можно транспортировать и хранить в жидком виде.

Сжиженный газ занимает объем примерно 1/250 своего первоначального объема, поэтому его можно транспортировать всеми видами транспорта: железнодорожным, водным, автомобильным, трубопро­водным (в баллонах и съемных емкостях). На месте доставки емкости подключают к разводящим сетям.

В отличие от сжиженного природный газ сохраняет свои свойства при положительных температурах и различных давлениях и транспортируется исключительно по магистральным газопроводам и разводящей газовой сети.

Однако при отрицательных температурах и давлении = 5 МПа (занимая при этом значительно меньший объем) технически возможно и экономически выгодно транспортировать сжиженный природный газ по магистральным трубопроводам. Для этого требуется сооружение заводов сжижения газов, и применение специальных трубных сталей для низкотемпературных жидкостных газопроводов, а также сооружение низкотемпературных хранилищ.

Магистральный газопровод во многом тождествен магистральному нефтепроводу. Конструкции трубопроводов почти одинаковы. Что касается перекачивающих станций, то компрессорные станции газопровода во многом аналогичны насосным станциям нефтепровода. Диаметры газопроводов больше, чем нефтепроводов.

Особенностью магистрального газопровода является поддержание значительного давления в конце перегона. Если на нефтепроводе начальное давление нефти 5 МПа снижается к концу перегона практически до нуля, то на газопроводе давление в конце поддерживается на уровне = 2 МПа.

К особенностям магистральных газопроводов относится также необходимость специальных мер по предотвращению образования гидратных пробок и мероприятий, связанных со взрывоопасностью газа, а также высокие требования к бесперебойности перекачки, так как длительная остановка газопровода вызывает немедленную остановку добычи в начальном пункте.

Источник: https://studopedia.ru/12_246121_zavisimost-mezhdu-ob-emom-davleniem-i-temperaturoy-uglevodorodnih-gazov.html

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.