Какими свойствами обладают газы физика 7 класс кратко

Обновлено: 03.07.2024

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Зарегистрироваться 15–17 марта 2022 г.

ТЕМА:Свойства газов. жидкостей и твердых тел

Цель урока: Сформировать представления о строении вещества в различных агрегатных состояниях. Объяснить с точки зрения молекулярной теории характерные особенности внутреннего строения веществ в газообразном, жидком и твердом состояниях.

Обучающая: Развитие знаний о механических свойствах твердых тел, жидкостей и газов на основе представлений о молекулярном строении вещества.

Развивающая: Продолжить формирование умений устанавливать причинно-следственные связи между фактами, явлениями и причинами, их вызвавшими, выдвигать гипотезы, их обосновывать и проверять достоверность.

Тип урока: изучение нового материала

I. Организационная часть (приветствие, проверка готовности к уроку, эмоционального настроя)

II. Целеполагание и мотивация

Человек издавна пытался объяснить явления, происходящие в природе, познать не только слышимое, но и неслышимое, не только видимое, но и не видимое.

На какие три группы можно разделить следующие вещества: вода, камень, воздух, олово, спирт, сахар, природный газ, лед, кислород, растительное масло, алюминий, молоко, азот (данные вещества даны при комнатной температуре).

Вы разделили вещества на три группы: твердые, жидкие и газообразные. Многие из них мы привыкли видеть в каком-либо одном состоянии. Например, железо – в твердом, растительное масло – в жидком, водород – в газообразном. Однако есть и такие, которые в нашей жизни встречаются сразу в трех состояниях, КАКИЕ? например, вода: твердое состояние воды – лед, жидкое – вода, газообразное – водяной пар. Давайте попробуем разобраться, чем эти вещества отличаются друг от друга.

Как, по вашему мнению может звучать тема нашего урока?

Тема нашего сегодняшнего урока

Как вы думаете, какая цель будет стоять перед нами на этом уроке?

Цель, которую мы ставим сегодня перед собой: выяснить какими свойствами обладают твёрдые тел, жидкости и газы, объяснить эти свойства на основе знаний о различиях в расположении, движении и притяжении молекул.

Запись на доске (цель для учащихся)

Свойства твердых, жидких и газообразных тел

Расположение молекул в твердых, жидких и газообразных телах

Движение молекул в твердых, жидких и газообразных телах

Взаимодействие молекул твердых, жидких и газообразных телах

III. Первичное усвоение новых знаний

Чтобы систематизировать наши полученные знания о строении вещества, свойствах тел в разных агрегатных состояниях, заполним таблицу: (бланк у детей на столе)

Задания для исследовательской работы

1. Надуйте шарик. Какую часть шарика заполняет воздух? Какова форма газа?

2. Сожмите шарик рукой (измените его форму). Сохранился ли объём воздуха? Сохранилась ли его форма?

3. Заполните шприц воздухом, вытягивая поршень. Закройте отверстие пальцем и попробуйте его сжать. Легко ли сжать газ?

1. Измерьте объём жидкости с помощью мензурки?

2. Переливайте воду в сосуды разной формы? Какую часть сосуда заполняет жидкость? Сохраняет ли жидкость свою форму?

3. Вновь измерьте объём жидкости. Изменился ли её объём?

4. Заполните шприц водой. Закройте отверстие пальцем и попробуйте её сжать. Легко ли сжать жидкость?

3. Попробуйте сдавить тело рукой. Легко ли его сжать?

По результатам исследовательской работы заполняем таблицу

Не имеет формы

Не сохраняет объем

Не имеет формы

Сохраняет объём

Не сжимаема

Сохраняет форму

Сохраняет объем

Не сжимаемо

Расположение молекул

На большом расстоянии друг от друга, хаотично

Плотно упакованы, т.е. на небольшом расстоянии друг от друга

Упорядоченно, образуя кристаллическую решётку

Характер движения молекул

Движутся свободно по всему объему

Колеблются на месте, перескакивая с места на место

Колеблются на месте, около одного положения равновесия

Взаимодействие молекул

Очень сильное

Какие свойства твёрдых тел вам известны? Сохраняют форму и объём

Какие свойства жидкостей вы знаете? Сохраняют объём, но легко меняют свою форму

Какие свойства газов вам известны? Не сохраняют форму и объём Свойства твердых тел.

В каком состоянии находятся окружающие нас тела – парты, книги, тетради? (твердом)

Рассмотрим несколько твердых тел.

Какую форму они имеют? (правильную, параллелепипеда, цилиндра)

Попробуем изменить их форму: сжать или растянуть. Легко это сделать? (Нет.)

Можем мы определить объем твердых тел? Определим объем параллелепипеда.

Вывод: Твердые тела сохраняют форму и имеют объем. (Запись вывода на доске и в таблице).

Свойства жидкостей.

Теперь определим свойства жидкостей. Мы можем перелить её в различные сосуды. (Учитель переливает воду в сосуды различной формы, первый и последний раз в мензурки, для определения объема)

Что происходит с формой жидкости? (она меняется)

Какую форму принимает каждый раз жидкость? (форму сосуда)

Изменился ли при этом объем жидкости? (нет)

Вывод: жидкость легко меняет форму, но сохраняет объем. (Запись вывода на доске и в таблице). Эти свойства жидкости применяют при изготовлении изделий из стекла.

Свойства газов.

Выясним, какими свойствами обладают газы. Опыт с резиновым шариком: перевязывают шарик посредине ниткой, надувают одну половину воздухом, затем разрезают нить. Воздух занимает весь шарик.

Итак, газы занимают весь предоставленный объем. Теперь пробуем сжать шарик. Это нам легко удалось.

Что можем сказать о свойствах газов?

Вывод: Газ занимает весь предоставленный ему объем и легко сжимаем. (Запись вывода в таблице)

Как же можно объяснить эти свойства? Ведь вода, лед, водяной пар – это состояния одного и того же вещества, а значит, молекулы не отличаются друг от друга. Следовательно, нам надо выяснить, как эти молекулы расположены и как они движутся.

Газы. Так как газы заполняют весь предоставленный объём, не имеют формы и легко сжимаются, то следует предположить, что расстояние между молекулами во много раз больше самих молекул, они почти не притягиваются и свободно движутся. Это доказывает и диффузия, которая в газах происходит быстрее, чем в жидкостях и твёрдых телах. Но если газы сильно сжать или охладить они переходят в жидкое состояние. (Запись вывода на доске и в таблице).

Жидкости. Жидкости не сохраняют форму, они могут течь, их легко перелить. Но сжать их трудно. Это можно объяснить только тем, что при любом сближении молекул между ними возникает отталкивание, т.к. молекулы расположены близко друг к другу, расстояние между ними сравнимо с размером молекул. Они скачками меняют свое место – “прыгают”. (Запись вывода на доске и в таблице).

Твердые тела. Твердые тела сохраняют форму и объем. Это значит, что молекулы расположены на расстояниях, сравнимых с размером молекул. Молекулы расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решётку, при этом они совершают колебания около определенной точки. (Запись вывода на доске и в таблице).

Работа с учебником по рисунку (28.6 стр. 125) .

4. Этап обобщения и закрепления нового материала

Можно ли заполнить газом сосуд на половину его объема? Почему?

Могут ли быть в жидком состоянии при комнатной температуре: кислород?

Могут ли быть в газообразном состоянии при комнатной температуре: железо?

В зимний морозный день над полыньей в реке образовался туман. Какое это состояние вещества?

В копомещении, где находится хлорка, всегда чувствуется её запах. Объясните, в каком состоянии пребывает хлорка?

5. Заключительный этап

Что мы узнали о свойствах тел в различных агрегатных состояниях?

Как можно объяснить эти свойства, учитывая молекулярное строение вещества?

6. Рефлексия

На уроке я работал

Своей работой на уроке я

доволен / не доволен

Урок для меня показался

не устал / устал

стало лучше / стало хуже

Материал урока мне был

понятен / не понятен
полезен / бесполезен
интересен / скучен

Домашнее задание мне кажется

легким / трудным
интересно / не интересно

Д/з п 28,29, эксп зад стр 127

РЕЗЕРВ Вопросы:

Почему газы не сохраняют объем и легко сжимаются? ( Расстояние между молекулами велико, силы притяжения слабые, поэтому молекулы легко удаляются друг от друга и так же легко сближаются.

Почему газы не имеют формы и заполняют весь предоставленный объем? (Причина в свободном движении молекул и слабом их притяжении)

Почему жидкости сохраняют объем? (Взаимодействие между молекулами велико, следовательно они не способны “отрываться” друг от друга)

Почему жидкости не имеют своей формы и текучи? ( Молекулы жидкости подвижны, они способны перескакивать с места на место. В случае, если на жидкость подействует внешняя сила, например, притяжение к Земле, перескоки частиц будут происходить, в основном, в направлении ее действия (то есть вниз).

Чем объясняется не сжимаемость жидкостей? (Расстояние между молекулами достаточно мало. При сближении силы отталкивания резко возрастают, не позволяя молекулам сближаться)

Почему твердые тела сохраняют свою форму? (Причина кроется в характере движения молекул. Они колеблются около положений равновесия и свободно перемещаться не могут)

Почему твердые тела сохраняют свой объём? ( Взаимодействие между молекулами твердого тела огромное, поэтому они не могут отрываться друг от друга)

Чем объясняется не сжимаемость твердых тел? ( Расстояние между молекулами мало (соизмеримо с размерами молекул). При сближении силы отталкивания резко возрастают, не позволяя молекулам сближаться).

Газом называют агрегатное состояние вещества, в котором все его частицы (атомы, молекулы) слабо взаимодействуют между собой и, двигаясь, заполняют весь предоставляемый ему объем. Основным свойством газа является его способность полностью заполнить сосуд, в котором он находится.

Идеальный газ - газ, для которого энергия взаимодействия между молекулами пренебрежимо мала по сравнению с кинетической энергией их хаотичного (теплового) движения. Уравнение состояния для n молей идеального газа, занимающего объем V при температуре Т и давлении р, имеет вид: pV = n • R • T, где R - газовая постоянная (уравнение Клапейрона - Менделеева).

В настоящем разделе кратко изложены некоторые общие сведения, касающиеся физических свойств газов. Конкретные физические свойства газов находятся здесь. Эти подразделы будут постепенно пополняться новой информацией, которая, возможно, окажется полезной инженерам и конструкторам при проведении расчётов.

Плотность газа

Килограмм на кубический метр [кг/м 3 ] равен плотности однородного газообразного вещества, масса которого при объёме 1 м 3 равна 1 кг.

dm - масса элемента газа, объёмом dV;

dV - объём элемента газа.

Динамическая вязкость газа

F - сила внутреннего трения газа.

ΔS - площадь поверхности слоя газа, на которую рассчитывается сила внутреннего трения.

- величина, обратная градиенту скорости газа.

Паскаль-секунда [Па • с] равна динамической вязкости газа, касательное напряжение в которой при ламинарном течении на расстоянии 1 м по нормали к направлению скорости, равно 1 Па.

Кинематическая вязкость газа

μ - динамическая вязкость газа;

ρ - плотность газа;

Квадратный метр на секунду [м 2 /с] равен кинематической вязкости газа с динамической вязкостью 1 Па с и плотностью 1 кг/м 3 .

Коэффициент теплопроводности газа

S - площадь поверхности;

Q - количество теплоты [Дж], перенесённое за время t через поверхность площадью S.

- величина, обратная градиенту температуры газа.

Ватт на метр-Кельвин [Вт/(м • К)] равен коэффициенту теплопроводности газа, в котором при стационарном режиме с поверхностной плотностью теплового потока 1 Вт/м 2 устанавливается температурный градиент 1 К/м.

Теплоемкость газа

dQ - количество теплоты, необходимое для нагревания газа;

dT - разность температуры.

Джоуль на Кельвин [Дж/К] равен теплоемкости газа, температура которого повышается на 1 К при подведении к нему количества теплоты 1 Дж.

Удельная массовая теплоемкость газа при постоянном давлении

Джоуль на килограмм-Кельвин [Дж/(кг • К)] равен удельной теплоемкости газа, имеющего при массе 1 кг теплоемкость 1 Дж/К.

Температуропроводность газа

λ - теплопроводность газа;

Cp - удельная массовая теплоемкость газа.

ρ - плотность газа.

Квадратный метр на секунду [м 2 /с] равен температуропроводности газа с коэффициентом теплопроводности 1 Вт/(м К), удельной теплоемкостью при постоянном давлении 1 [Дж/(кг • К) и плотностью 1 кг/м 3 .

Все вещества в нашем мире характеризуются составом, строением и агрегатным состоянием. В химии рассматривают 4 состояния, в которых могут существовать вещества во Вселенной:

твердые тела;
жидкое состояние;
газообразные вещества;
плазма.

Газы обладают определенным набором уникальных свойств, отличающих их от других агрегатных состояний.

Газ (от др.-греч. Χάος) — одно из основных агрегатных состояний, представляющее собой вещества со слабыми связями между частицами, а также большой подвижностью этих частиц.

Частицы газообразных веществ хаотично движутся в предоставленном им объеме пространства. Они сталкиваются друг с другом и со стенками сосуда в процессе своего передвижения. Молекулы в этом случае не связаны друг с другом прочными межмолекулярными связями и имеют полную свободу передвижения.

Взаимодействия молекул в разных агрегатных состояниях различаются, от чего меняются и свойства. В отличие от твердого и жидкого состояний, газообразные вещества имеют возможность легко менять свой объем и занимать весь объем сосуда, в котором находятся, большое расстояние между молекулами (больше самих молекул), а также характеризуются хаотичным и непрерывным их движением.

Газ является распространенным состоянием вещества во Вселенной. Из веществ в газообразном состоянии формируются планеты, туманности, атмосферы планет и многое другое.

Газ, как и любое другое вещество, имеет свой вес, хоть он и не ощущается в обычных условиях.

Газы, которые имеют возможность находиться в равновесии с твердой или жидкой фазой того же вещества, называются паром. Самым распространенным примером пара может считаться водяной пар. При обычных температурах испарение с поверхности воды происходит практически незаметно. При нагревании воды до 100 °C происходит интенсивное парообразование — кипение.

Современная физика выделяет еще одно (помимо трех основных) агрегатное состояние — плазму. По сути плазма также является газом, но только ионизированным (содержит электроны, положительно и отрицательно заряженные ионы), из-за чего связь между частицами вещества более сильная, чем в обычных газах, но более слабая, чем в жидкостях и твердых веществах.

Характеристики, какие свойства характерны, примеры

Особые качества, отличающие газы от других агрегатных состояний, влияют также на характерные для газообразных веществ свойства.

Свойства большинства газов:

занимают все пространство не зависимо от его объема;
газы легко соединяются и смешиваются между собой;
не проводят электрический ток при обычных условиях;
низкая теплоемкость;
низкая плотность.

Долгое время газы не воспринимались как особое агрегатное состояние. Только в XVII веке было доказано, что газ имеет вес, а значит влияет на свойства других веществ в других агрегатных состояниях.

Большинство газов представляют собой субстанцию, наблюдать которую без помощи специального оборудования затруднительно. Именно поэтому потребовалось выделение 4 пунктов, по которым происходит непосредственная оценка физических свойств и макроскопических характеристик газов:

давление;
объем;
количество частиц;
температура.

Например, в таблице Менделеева в группе VIIIA находятся благородные газы: гелий He, неон Ne, аргон Ar, криптон Kr, ксенон Rn, радиоактивный радон Rn.

Газы в химии делятся на виды: органические и неорганические, простые и сложные.

К органическим газам относятся вещества, имеющие в своем составе углерод C. Это, например, этилен C 2 H 2 и метан C H 4 .

Газы, не содержащие углерод (например, благородные газы), а также углекислый газ С О 2 и угарный газ C O относятся к неорганическим газам.

Газы делятся на простые и сложные по своему составу. К простым относятся кислород O 2 , озон O 3 , водород H 2 и другие. Они состоят из атомов одного химического элемента. Если в веществе содержатся атомы разных химических элементов, то оно считается сложным, например, органический газ этилен C 2 H 4 .

Расчет плотности газов

Промышленность активно использует газообразные соединения.

Расчет плотности газа представляет собой сложный процесс, так как этот показатель зависит от множества характеристик.

Известно, что плотность вещества рассчитывается по формуле:

Для газа это уравнение будет выглядеть следующим образом:

ρ = m v = ρ M R T ,

M — молярная масса,

R — газовая постоянная,

Молекулярная масса газовой смеси является параметром, расчет которого необходим для получения точного значения плотности газа.

где M — это молярная масса,

R — универсальная газовая постоянная, R = 8 , 314 Д ж ( м о л ь K ) .

Тогда формула расчета плотности газа будет выглядеть так:

При каких условиях газ называют идеальным

Газообразное состояние вещества является таким его состоянием, в котором расстояние между частицами превышает размеры самих частиц, а силы их взаимодействия очень малы. Из-за специфических свойств газов их изучение представляет собой сложную задачу. Обычные вещества в газообразном состоянии называют реальными газами.

Реальный газ — состояние газообразных соединений в реальном мире, а не в теории.

Противопоставляется ему идеальный газ — теоретически обоснованное состояние, применяемое для описания свойств и проведения расчетов.

Состояние идеального газа предполагает, что частицы газа не взаимодействуют между собой (средняя кинетическая энергия частиц значительно больше потенциальной энергии их взаимодействия), их размеры пренебрежимо малы, а столкновения частиц газа между собой и стенками сосуда абсолютно упругие.

Идеальный газ используется для решения задач не только научного, но и прикладного характера на производствах.

Уравнение состояние идеального газа

Для математического описания идеального газа используется уравнение Менделеева-Клапейрона:

где p — это давление,

n — число молей газа,

R — универсальная газовая постоянная, R = 8 , 314 Д ж ( м о л ь K ) ,

T — абсолютная температура.

Получение газов в лаборатории и промышленности

Методы получение газов в лаборатории и в промышленности отличаются.

В лаборатории:

реагенты могут быть дорогими и редкими, но необходимыми для проведения опытов;
условия регулируются для получения желаемого вещества, реакции проводятся в мягких условиях;
реагентами выступают жидкости и твердые вещества.

В промышленности процессы заточены для получения быстрого результата с меньшими затратами. Из-за этого:

используемые реагенты доступны и дешевы;
процессы могут протекать в довольно жестких условиях, допускаются высокие температуры и давление;
в качестве реагентов выступают газы и жидкости, реже вещества в твердом агрегатном состоянии.

Методы сбора газов в лаборатории

Для собирания газов в сосуд в лаборатории используются два основных способа:

Первый способ применяется для получения газов, которые химически не реагируют с водой и не растворяются в ней, например, водород, метан, азот.

Второй способ используется для газов, которые отличаются от воздуха по плотности, являются либо легче, либо тяжелее него. Для определения соотношения плотностей получаемого газа и воздуха необходимо вычислить молекулярную массу вещества и сравнить ее с молекулярной массой воздуха, равной 29.

Если вытесняемый газ легче воздуха (молекулярная масса менее 29), то сосуд для сбора газа закрепляют вверх дном, в обратном случае (молекулярная масса более 29) — дном вниз.

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.

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

Агрегатных состояний точно три?

Модель идеального газа

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

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

Эксперимент

Зависимость давления от других величин

Зависимость давления от объема

Давление

p = F/S

F — сила [Н]

S — площадь [м 2 ]

Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.

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

Зависимость давления от температуры

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

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

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

Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

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]

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]

Основное уравнение МКТ

p — давление газа [Па]

n — концентрация [м −3 ]

E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

Хранение и транспортировка газов

Читайте также: