Уравнение состояния идеального газа

Уравнение состояния идеального газа

Состояние газа однозначно задается тремя макроскопическими параметрами: давлением, объемом и температурой.

Мы знаем, что горячий воздух поднимается вверх. С увеличением температуры он становится легче – уменьшается плотность, увеличивается расстояние между молекулами. То есть происходит расширение – увеличение объема. Можно сделать вывод, что объем и температура газа связаны. Если сдавить воздушный шарик, то внутри него увеличится давление. То есть объем газа также связан с давлением. Получается, что давление, объем и температура газа связаны между собой. Попробуем понять, как именно.

Мы работаем с моделью идеального газа, которая описывает реальный газ достаточно точно для решения многих задач.

Мы уже получили для идеального газа основное уравнение МКТ, с помощью которого связали давление с микропараметрами – массой и средней скоростью одной молекулы:

Это уравнение – решение задачи в модели механики. Мы приняли, что газ состоит из хаотично движущихся молекул – и вычислили, как они действуют на стенку, какое давление создают, когда с ней сталкиваются. Но мы не измеряем скорости и массы отдельных молекул. На макроуровне мы умеем измерять температуру, которую мы связали со средней кинетической энергией молекул, а значит, и с микропараметрами: массой и средней скоростью одной молекулы:

Подставив кинетическую энергию из одного уравнения в другое, получили:

В таком виде применять уравнение для решения задач все еще не удобно. Для измерения давления газа существуют различные приборы (манометры, барометры), для измерения температуры – термометры. Но мы не можем напрямую измерять концентрацию – количество частиц в единице объема. Преобразуем уравнение до удобного вида. Концентрация – это, по определению, :

А количество молекул удобнее представить через количество вещества. Мы помним, что в одном моле вещества  молекул. Значит, :

Договоримся: чтобы каждый раз не перемножать постоянные величины  на , сделаем это один раз, а произведение обозначим :

Это значение назвали универсальной газовой постоянной, почему – станет понятно чуть позже. Умножим обе части уравнения на объем и перепишем:

Получили уравнение, которое связывает три макропараметра идеального газа, которые легко измерить: объем, температуру и давление. И если взять какое-то определенное количество газа , эти три параметра однозначно зададут его состояние, неизвестных в уравнении не останется. Поэтому это уравнение назвали уравнением состояния идеального газа, или иначе уравнением Менделеева – Клапейрона. А на случай, если нам неудобно пользоваться количеством вещества в молях, можно его выразить через массу вещества:

Именно в этом виде его чаще всего и записывают. Мы начали с движения молекул, придумали инструменты для его описания, а в итоге получили уравнение, которое связывает поддающиеся непосредственному измерению макропараметры.

Решим задачу

Какое давление должен выдерживать газовый баллон объемом 50 л, чтобы при температуре 25 ˚С в нем можно было хранить 2 кг метана ()?

Анализ условия. В задаче сказано о метане – это газ, в баллоне не создается экстремальных условий, температура комнатная, так что будем описывать его с помощью модели идеального газа. Речь идет о связи трех макропараметров газа, поэтому будем применять уравнение состояния идеального газа.

Физическая часть решения. В условии задана масса газа, поэтому запишем уравнение состояния идеального газа в том виде, в котором есть масса:

Все величины известны, осталось только найти молярную массу метана (ее можно найти, зная состав его молекулы, см. рис. 1), перевести значения величин в СИ и получить ответ. На выборе уравнения физика закончилась, осталось решить простое уравнение. Выразим давление:

Рис. 1. Углерод и водород в таблице Менделеева

Молекула метана состоит из одного атома углерода с относительной атомной массой 12 (смотрим в таблице Менделеева) и четырех атомов водорода с относительной атомной массой 1. Тогда:

Будем использовать в СИ:

1 л – это 1  или в СИ . Значит, объем баллона в СИ будет равен .

Температуру выразим в кельвинах:

Вычислим давление:

Получили ответ: давление около 6,2 МПа, что в 62 раза больше атмосферного. Задача решена.

Во многих задачах берется некоторое фиксированное количество газа и рассматривается изменение его состояния. Это значит, что в рамках таких задач количество вещества постоянно (как и масса, смотря в чем выразим). Можно все постоянные перенести в одну часть уравнения, а три изменяющихся параметра состояния – в другую:

 или 

Если взять 1 моль любого газа (одноатомного аргона, углекислого газа, водяного пара – лишь бы к нему была применима модель идеального газа), выражение  будет равно постоянной . Поэтому эта постоянная и названа универсальной. Но даже если мы возьмем произвольную, но – что важно – фиксированную массу газа, выражение  для этой массы газа будет постоянным:

Или, по-другому, если газ переходит из одного состояния с параметрами , ,  в состояние с параметрами , , , то можем записать:

В таком виде или в виде  это уравнение называют уравнением Клапейрона, хотя это то же уравнение состояния, записанное немного иначе.

Скачано с www.znanio.ru