Назовите параметры состояния газа кратко

Обновлено: 28.06.2024

Параметрами газа называют (параметры состояния) совокупность физических величин, которые определяют макроскопические свойства системы (плотность $\rho ,$ энергия E, температура T, давление p и т.д.).

Параметры состояния не всегда имеют определенные значения. К примеру, подогреваемое с одной стороны и охлаждаемое с другой стороны тело имеет различную температуру в разных точках этого тела. Параметры газа связаны между собой. Поэтому однозначное определение состояния системы возможно с помощью ограниченного количества значений параметров. Основными параметрами состояния являются: давление, температура, удельный (или молярный) объем $V_<\mu >$.

Что такое внешние параметры

Существуют внешние и внутренние параметры состояния газа.

Внешними параметрами состояния называют параметры, которые зависят только от обобщенных координат внешних тел, с которыми взаимодействует система.

Пример внешнего параметра для газа является объем, который зависит от стенок сосуда.

Внутренними параметрами состояния газа являются параметры, которые определяются не только обобщёнными координатами, внешних тел, но и усредненными значениями координат и скоростей частиц входящих в систему.

К внутренним параметрам, можно отнести температуру.

Что такое давление

Давлением $(p)\ $называют физическую величину, равную:

где $F_n$ -- проекция силы на нормаль к участку тела $\triangle S$, $\triangle S$- площадь тела. Давление газа создается в результате многочисленных ударов молекул о стенки сосуда, в котором он находится. Очевидно, что давление зависит от скорости движения молекул газа, их массы и количества.

Единица измерения давления в системе СИ паскаль -- $\frac$=Па. К альтернативным единицам измерения давления относят -- техническую атмосферу, которая равна $1 атм=1 кгс/см^2$. Также для измерения давления применяют высоту столба жидкости (воды, ртути, спирта) в капилляре, если давление небольшое. При этом давление рассчитывается по формуле:

\[p=\rho \cdot g\cdot h\ \left(2\right),\]

где $\rho $- плотность вещества (жидкости) в $кг/м^3$, $g=9,80665(м/c^2)$- ускорение свободного падения, соответственно:

В таком случае считают, что давление измеряется в м вод. ст. (метр водяного столба) или мм.рт.ст (миллиметр ртутного столба).

Давление иногда разделяют на: атмосферное, избыточное и давление в вакууме (т.е. ниже атмосферного).

Удельным объемом $V_u$ называют величину, обратную плотности $\rho :\ $

Для однородного тела удельный объем:

В системе СИ за единицу количества вещества принят моль. Количество одинаковых частиц, содержащихся в одном моле, называют постоянной (числом) Авогадро $N_A=6,022\cdot ^ моль^$.

Молярная масса и молярный объем

Молярной массой химически однородного вещества называют величину:

где m -- масса, $\nu $ -- число молей вещества. Молярным объемом называют величину:

Иногда вместо массы газа рассматривают число его молекул (N) в заданном объеме:

Температурой (t, или T) называют физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Различают несколько видов температуры (в зависимости от используемой шкалы измерения).

Внутренние параметры газа, который находится в равновесном состоянии, зависят только от ее внешних параметров и температуры:

\[y_k=f\left(x_,x_,\dots ,\ x_n,\ T\right)\left(9\right),\]

где $y_k$- внутренний параметр, $x_,x_,\dots ,\ x_n$- внешние параметры.

К примеру, равновесное состояние физически однородной термодинамической системы полностью определяется двумя параметрами. Поэтому состояние системы можно охарактеризовать уравнением:

Очень часто в условиях задачи записано, газ находится в нормальных условиях, это значит, что давление равно $1\ амтм\approx 10^5Па$, температура $t=0^oC$.

К основным параметрам газа так же относят внутреннюю энергию U газа. Для газа, на который не действуют внешние силы, находящийся в состоянии макроскопического равновесия внутренняя энергия представляет собой полную энергию системы. Внутренняя энергия включает в себя энергию теплового (хаотического) движения частиц и энергию их взаимодействия. Она однозначно определяет состояние газа как системы. Изменение внутренней энергии не зависит от способа перехода системы из одного состояния в другое, а зависит только от конечного и начального состояния газа (т.е.U - функция состояния):

Внутренняя энергия газа является аддитивной, то есть полная внутренняя энергия системы есть сумма внутренних энергий ее макрочастей. При невысоких температурах часто внутреннюю энергию идеального газа принимают равной суммарной кинетической энергии его молекул. Внутренняя энергия идеального газа зависит от термодинамической температуры T газа:

где $C_V$- теплоемкость газа при изохорном процессе, $c_V=\frac$ -- удельная теплоемкость, $U_0$- внутренняя энергия газа при T=0K, $u_0=\frac.$ Довольно часто $U_0$ полагают равной 0.

Еще один параметр газа, как термодинамической системы -- энтальпия H (теплосодержание, тепловая функция). Н как и внутренняя энергия является функцией состояния. По определению:

Для одноатомных газов:

где $C_p$ -- теплоемкость газа при изобарном процессе, $H_=U_0$- энтальпия газа при T=0K.

Энтальпия смеси идеальных газов равна сумме энтальпий компонентов.

Следующий параметр газа и функция состояния -- энтропия (S). Для обратимого процесса:

где $S_0=const$, $\delta Q$- элементарное количество тепла, переданное газу. Адиабатный процесс является изоэнтропийным. Знак изменения энтропии газа показывает направление теплообмена. При нагревании газа dS$ > $0, при охлаждении dS$ \[S\left(V,T\right)=\int\nolimits^T_0>+_0(16)\]

где $\int\nolimits^T_0>$ для изохорного процесса, $\int\nolimits^T_0>$ -- изобарного процесса. Процессы обратимы!

$_0=S\left(V,0\right)\ и\ >_0=S\left(p,0\right).$ Энтропия смеси равна сумме энтропий компонент.

Готовые работы на аналогичную тему

Задание: На графике в осях p(V) изображены обратимые процессы, производимые в идеальном газе. Сравните изменения энтропий идеального газа для процесса 1a2 ($\triangle S_)$ и процесса 1b2 ($\triangle S_)$.

Энтропия является функцией состояния для идеального газа. Это значит, что ее изменение не зависит от способа перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного состояний. Поэтому $\triangle S_$=$\triangle S_$.

Ответ: $\triangle S_$=$\triangle S_$.

Задание: Найти изменение энтропии идеального газа в адиабатном процессе, в изобарном процессе.

Запишем определение изменения энтропии для обратимого процесса:

Адиабатный процесс -- это процесс, который происходит без подведения системе (газу) тепла, соответственно: $\delta Q=0\to \triangle S=0.\ $Энтропия в адиабатном процессе не изменяется.

Для изобарного процесса $p=const.$ $\delta Q=dU+dA$ по первому началу термодинамики, где $dU=\frac\nu RdT$, $dA=pdV$. Подставим $dU\ и\ dA$ в (2.1):

Из уравнения Менделеева--Клайперона:

\[pV=\nu RT,\ при\ p=const,\ \to pdV=\nu RdT\]

Ответ: Изменение энтропии идеального газа в адиабатном процессе равно 0. Изменение энтропии идеального газа в изобарном процессе $\triangle S=\left(\frac\right)\nu Rln\frac=с_<\mu p>\nu ln\frac$, где $с_<\mu p>$- молярная теплоемкость идеального газа в изобарном процессе.

Реальные газы хорошо описываются моделью идеального газа при достаточно больших разрежениях, т.е. когда среднее расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров самих молекул. В этом случае силами притяжения между молекулами можно пренебречь, а силы отталкивания проявляются только при столкновениях молекул друг с другом в течение очень коротких промежутков времени. например, водород, кислород при нормальных условиях хорошо описываются моделью идеального газа.

Под нормальными условиями понимают состояние газа при температуре T=273 K и давлении p=101325 Па.

Состояние газов, удовлетворяющих модели идеального газа, описывается более простыми уравнениями, чем в случае реальных газов, в уравнениях для которых возникают многочисленные поправки, учитывающие взаимодействие между молекулами и их суммарный собственный объем. По сути, в модели идеального газа молекулы представляются в виде маленьких упругих шариков, которые, не задевая друг друга, летают по всему предоставленному объему и, изменяя свой импульс при ударах о стенки, оказывают на них давление.

Параметры состояния газа. Макро- и микропараметры

Состояние любой термодинамической системы описывается ее макро- и микропараметрами.

Основными макропараметрами или параметрами состояния идеального газа являются давление, температура и объем.

Давление характеризует силу ударов молекул газа о стенки сосуда. Температура является мерой кинетической энергии поступательного движения молекул газа. Объем – это область пространства, занимаемая газом.

К микропараметрам относятся масса молекулы, ее скорость, импульс, кинетическая энергия.

Состояние термодинамической системы, когда все ее параметры при неизменных внешних условиях не изменяются со временем, называютравновесным.

Примеры решения задач

1) размерами молекул можно пренебречь;

2) молекулы при столкновениях взаимодействуют как упругие шары;

3) при любом расстоянии между молекулами между ними действуют силы притяжения.

Это несуществующая физическая модель газа, который состоит из большого числа молекул, размеры которых ничтожно малы по сравнению со средними расстояниями между ними. Молекулы такого газа можно считать материальными точками, это означает, что их вращательное и колебательное движения не принимаются во внимание. Движение молекул происходит без столкновений с другими молекулами, подчиняется законам Ньютона. Соударения молекул со стенками сосуда являются абсолютно упругими.

Параметры состояния газа

Давление, температура и объем - параметры состояния газа. Или их называют макропараметрами. Температура - внешняя характеристика скоростей частиц газа. Давление - внешняя характеристика соударений со стенками, например, сосуда. Объем - место, куда заключены частицы газа. Газ занимает весь предоставленный ему объем. Существуют еще внешние параметры, например тела или поля, действующие на газ из вне.

Микропараметры (маленькие, внутренние характеристики) газа - это параметры, которые мы не можем оценить без специальных экспериментов, например, скорость и направление движения каждой молекулы газа.

Состояние термодинамической системы, когда все ее параметры при неизменных внешних условиях не изменяются со временем, называют равновесным.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории

Уравнение связывает микропараметры и макропараметры (давление, объем и температуру) идеального газа.

Рассмотрим идеальный газ, который находится в кубическом сосуде. Каждая молекула упруго сталкивается со стенкой сосуда, при этом изменятся ее импульс. Столкновение всех молекул со стенкой на макроуровне ощущается как давление газа на сосуд. В формулах будут присутствовать средние значения, потому что какая-то молекула движется быстрее, какая-то помедленнее, для того, чтобы оценить примерную скорость, будем брать средние значения.

Основное уравнение мкт имеет вид

Средний квадрат скорости молекул

Средняя квадратичная скорость v_кв молекул это квадратный корень из среднего квадрата скорости

Средняя кинетическая энергия молекул

Можно вывести формулы

Температура

Это макропараметр, который характеризует способность тел к теплопередаче. Если два тела разной температуры контактируют, то произойдет переход энергии или передача теплоты от более горячего к холодному. Установится тепловое равновесие, все части будут одинаковой температуры.

Температура характеризует интенсивность движения частиц, поэтому связана со средней кинетической энергией частиц. Из опыта известно, что средняя кинетическая энергия молекул не зависит от вида газа и определяется температурой.

Говорят, что нет предела совершенству — но газ бывает идеальным. Сегодня мы узнаем, что эта физическая модель из себя представляет и как ее использовать.

О чем эта статья:

Газ: агрегатное состояние

У веществ есть три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное.

Их характеристики — в таблице:

Агрегатные состояния

Свойства

Расположение молекул

Расстояние между молекулами

Движение молекулы

Твердое

сохраняет форму и объем

в кристаллической решетке

соотносится с размером молекул

колеблется около положения равновесия в кристаллической решетке

Жидкое

сохраняет объем и текучесть

близко друг к другу

молекулы малоподвижны, при нагревании скорость движения увеличивается

Газообразное

занимает весь предоставленный объем

больше размеров молекул

хаотичное и непрерывное

В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатных состояний точно три?

На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Модель идеального газа

В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.

Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).

Модель идеального газа не может описать ситуацию, когда газ сжимают так сильно, что он конденсируется — переходит в жидкое состояние.

В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.

Свойства идеального газа

Расстояние между молекулами значительно больше размеров молекул.

Молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары.

Силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы.

Молекулы взаимодействуют только при соударениях.

Молекулы движутся хаотично.

Молекулы движутся по законам Ньютона.

Среднеквадратичная скорость

Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.

На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.

Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.

Средняя квадратичная скорость

v_{ср. кв.} — средняя квадратичная скорость [м/с]

v₁, v₂, v_n — скорости разных молекул [м/с]

N — количество молекул [—]

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Давление идеального газа

Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.

Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.

Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.

Эксперимент

Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.

Зависимость давления от других величин

Зависимость давления от объема

В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.

Давление

p = F/S

F — сила [Н]

S — площадь [м 2 ]

То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.

Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.

Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.

При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):

Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:

Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.

Зависимость давления от температуры

Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.

В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.

Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.

Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.

С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:

Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.

Основное уравнение МКТ

Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

Все вещества образованы из мельчайших частиц — молекул, которые состоят из атомов.

Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.

Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.

Основное уравнение МКТ

p = nkT

p — давление газа [Па]

n — концентрация [м −3 ]

T — температура газа [К]

m 0 — масса одной молекулы [кг]

v — средняя квадратичная скорость [м/с]

Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v 2 , а вместо v — и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.

Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:

Кинетическая энергия

Е_к = mv 2 /2

Е_к — кинетическая энергия [Дж]

m — масса тела [кг]

v — скорость [м/с]

Для молекулы газа формула примет вид:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы

Е_к — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

m₀ — масса молекулы [кг]

v — скорость молекулы [м/с]

Из этой формулы можно выразить m₀v 2 и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Основное уравнение МКТ

p — давление газа [Па]

n — концентрация [м −3 ]

E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

Хранение и транспортировка газов

Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.

Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) 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. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.

Читайте также: