Уравнение клапейрона менделеева физика. Идеальные газы
Аннотация: традиционное изложение темы, дополненное демонстрацией на компьютерной модели.
Из трех агрегатных состояний вещества наиболее простым является газообразное состояние. В газах силы, действующие между молекулами, малы и при определенных условиях ими можно пренебречь.
Газ называется идеальным , если:
Можно пренебречь размерами молекул, т.е. можно считать молекулы материальными точками;
Можно пренебречь силами взаимодействия между молекулами (потенциальная энергия взаимодействия молекул много меньше их кинетической энергии);
Удары молекул друг с другом и со стенками сосуда можно считать абсолютно упругими.
Реальные газы близки по свойствам к идеальному при:
Условиях, близких к нормальным условиям (t = 0 0 C, p = 1.03·10 5 Па);
При высоких температурах.
Законы, которым подчиняется поведение идеальных газов, были открыты опытным путем достаточно давно. Так, закон Бойля - Мариотта установлен еще в 17 веке. Дадим формулировки этих законов.
Закон Бойля - Мариотта. Пусть газ находится в условиях, когда его температура поддерживается постоянной (такие условия называются изотермическими ).Тогда для данной массы газа произведение давления на объем есть величина постоянная:
Эту формулу называют уравнением изотермы . Графически зависимость p от V для различных температур изображена на рисунке.
Свойство тела изменять давление при изменении объема называется сжимаемостью . Если изменение объема происходит при T=const, то сжимаемость характеризуется изотермическим коэффициентом сжимаемости который определяется как относительное изменение объема, вызывающее изменение давления на единицу.
Для идеального газа легко вычислить его значение. Из уравнения изотермы получаем:
Знак минус указывает на то, что при увеличении объема давление уменьшается. Т.о., изотермический коэффициент сжимаемости идеального газа равен обратной величине его давления. С ростом давления он уменьшается, т.к. чем больше давление, тем меньше у газа возможностей для дальнейшего сжатия.
Закон Гей - Люссака. Пусть газ находится в условиях, когда постоянным поддерживается его давление (такие условия называются изобарическими ). Их можно осуществить, если поместить газ в цилиндр, закрытый подвижным поршнем. Тогда изменение температуры газа приведет к перемещению поршня и изменению объема. Давление же газа останется постоянным. При этом для данной массы газа его объем будет пропорционален температуре:
где V 0 - объем при температуре t = 0 0 C, - коэффициент объемного расширения газов. Его можно представить в виде, аналогичном коэффициенту сжимаемости:
Графически зависимость V от T для различных давлений изображена на рисунке.
Перейдя от температуры в шкале Цельсия к абсолютной температуре , закон Гей - Люссака можно записать в виде:
Закон Шарля. Если газ находится в условиях, когда постоянным остается его объем (изохорические условия), то для данной массы газа давление будет пропорционально температуре:
где р 0 - давление при температуре t = 0 0 C, - коэффициент давления . Он показывает относительное увеличение давления газа при нагревании его на 1 0:
Закон Шарля также можно записать в виде:
Закон Авогадро: один моль любого идеального газа при одинаковых температуре и давлении занимает одинаковый объем. При нормальных условиях (t = 0 0 C, p = 1.03·10 5 Па) этот объем равен м -3 /моль.
Число частиц, содержащихся в 1 моле различных веществ, наз. постоянная Авогадро :
Легко вычислить и число n 0 частиц в 1 м 3 при нормальных условиях:
Это число называется числом Лошмидта .
Закон Дальтона: давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений входящих в нее газов, т.е.
где - парциальные давления - давления, которые бы оказывали компоненты смеси, если бы каждый из них занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.
Уравнение Клапейрона - Менделеева. Из законов идеального газа можно получить уравнение состояния , связывающее Т, р и V идеального газа в состоянии равновесия. Это уравнение впервые было получено французским физиком и инженером Б. Клапейроном и российским учеными Д.И. Менделеевым, поэтому носит их имя.
Пусть некоторая масса газа занимает объем V 1 , имеет давление p 1 и находится при температуре Т 1 . Эта же масса газа в другом состоянии характеризуется параметрами V 2 , p 2 , Т 2 (см. рисунок). Переход из состояния 1 в состояние 2 осуществляется в виде двух процессов: изотермического (1 - 1") и изохорического (1" - 2).
Для данных процессов можно записать законы Бойля - Мариотта и Гей - Люссака:
Исключив из уравнений p 1 " , получим
Так как состояния 1 и 2 были выбраны произвольно, то последнее уравнение можно записать в виде:
Это уравнение называется уравнением Клапейрона , в котором В - постоянная, различная для различных масс газов.
Менделеев объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро. Согласно закону Авогадро, 1 моль любого идеального газа при одинаковых p и T занимает один и тот же объем V m , поэтому постоянная В будет одинаковой для всех газов. Эта общая для всех газов постоянная обозначается R и называется универсальной газовой постоянной . Тогда
Это уравнение и является уравнением состояния идеального газа , которое также носит название уравнение Клапейрона - Менделеева .
Числовое значение универсальной газовой постоянной можно определить, подставив в уравнение Клапейрона - Менделеева значения p, T и V m при нормальных условиях:
Уравнение Клапейрона - Менделеева можно записать для любой массы газа. Для этого вспомним, что объем газа массы m связан с объемом одного моля формулой V=(m/M)V m , где М - молярная масса газа . Тогда уравнение Клапейрона - Менделеева для газа массой m будет иметь вид:
где - число молей.
Часто уравнение состояния идеального газа записывают через постоянную Больцмана:
Исходя из этого, уравнение состояния можно представить как
где - концентрация молекул. Из последнего уравнения видно, что давление идеального газа прямо пропорционально его температуре и концентрации молекул.
Небольшая демонстрация законов идеального газа. После нажатие кнопки "Начнем" Вы увидите комментарии ведущего к происходящему на экране (черный цвет) и описание действий компьютера после нажатия Вами кнопки "Далее" (коричневый цвет). Когда компьютер "занят" (т.е. идет опыт) эта кнопка не активна. Переходите к следующему кадру, лишь осмыслив результат, полученный в текущем опыте. (Если Ваше восприятие не совпадает с комментариями ведущего, напишите!)
Вы можете убедиться в справедливости законов идеального газа на имеющейся
Уравнение Менделеева Клапейрона берет свое начало от французского инженера Клапейрона Б. жившего с 1799 по 1864 годы. Так как у параметров состояния идеального газа есть связь, он соединил имеющиеся экспериментальные законы газов и выявил связь в параметрах.
pW/T = const
А Менделеев Д.И. наш русский ученый живший с 1834 по 1907 года, соединил его с законом Авогадро. Из данного закона следует что, если Р и Т одинаковы то моль какого бы ни было газа занимает равный молярный объем. Wm=22.4л. Из чего и следует вывод Менделеева - постоянное значение в правой части уравнения, одинаково для любого газа. Обозначение пишется как R, а называется - универсальная газовая постоянная.
Цифровое выражение R вычисляем путем подстановки. Уравнение Менделеева Клапейрона выглядит как:
PW = nRT
в нем:
Р
- газовое давление, W
- литровый объем, T
- температура, измеряется в кельвинах, n
- число молей, R
- УГП.
К примеру: Кислород находится в емкости на 2,6 литра, под давлением 2,3атм и 26 градусах С. Неизвестно сколько в емкости содержится молей О 2 ?
По закону газа находим сколько молей n
n = PW/RT из чего: n = (2.3 атм*2,6л)/(0,0821 л*атм/моль*К*299К) = 0,24 моль О 2
Температуру нужно обязательно переводить в кельвины (273 0 С + 26 0 С) = 299К. Во избежание ошибок при решении уравнений, надо обращать внимание на величины в которых даются данные для уравнения Менделеева-Клапейрона Давление может быть в мм рт.столба - переводим в атмосферы (1 атм = 760мм р/с). Если же в паскалях при переводе в атмосферы, важно помнить что 101325 Па = 1атм.
Если производить расчеты где единицы измерения в м 3 и Па. Здесь нужно использовать R = 8,314 Дж/К*моль (постоянная газовая).
Рассмотрим на примере:
Дано: Объем Гелия 16,5 литров, температура - 78 0 С, давление 45,6атм. Какой будет его объем в нормальных условиях? Количество молей? Мы можем быстро выяснить сколько молей n в нем содержится, с помощью Уравнения Менделеева-Клапейрона, но как быть если забылось значение R. В нормальных условиях 1 моль (1атм и 273К) заполняет 22,4 литра. То есть
PW = nRT, из этого следует, R = PW/nT = (1атм*22,4л)/(1 моль*273К) = 0,082
Если сделать так, что бы R сократилась. Получим следующий вариант решения.
Начальные данные: Р 1 = 45,6атм, W 1 = 16.5л, Т 1 =351К.
Конечные данные: Р 2 = 1атм, W 2 = ?, Т 2 =273К.
Мы видим что уравнение ровно справедливо и для исходных и для конечных данных
P 1 W 1 = nRT 1
P 2 W 2 = nRT 2
Для того чтобы узнать объем газа, поделим значения в уравнении
P 1 W 1 /P 2 W 2 = T 1 /T 2 ,
вставим известные нам значения
W 2 = 45.6 * 16.5 * 273 / 351 = 585 литров
Значит в нормальных условиях объем гелия будет 585 литров. Делим 585 на молярный газовый объем в норм. условиях (22,4 л/*моль) получим сколько молей в гелии 585 / 22,4 = 26,1м.
Заметка: Если у Вас проблемы связанные с прокладкой коммуникаций бестраншейным способом, зайдите по ссылке - прокол под газопровод (http://www.prokolgnb.ru) и узнайте как их решить.
1. Идеальным газом называется газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия. С достаточной степенью точности газы можно считать идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от областей фазовых превращений.
2. Для идеальных газов справедливы следующие законы:
а) Закон Бойля - Mаpuomma: при неизменных температуре и массе произведение численных значений давления и объема газа постоянно:
pV = const
Графически этот закон в координатах РV изображается линией, называемой изотермой (рис.1).
б) Закон Гей-Люссака: при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:
V = V0(1 + at)
где V - объем газа при температуре t, °С; V0 - его объем при 0°С. Величина a называется температурным коэффициентом объемного расширения. Для всех газов a = (1/273°С-1). Следовательно,
V = V0(1 +(1/273)t)
Графически зависимость объема от температуры изображается прямой линией - изобарой (рис. 2). При очень низких температурах (близких к -273°С) закон Гей-Люссака не выполняется, поэтому сплошная линия на графике заменена пунктиром.
в) Закон Шарля: при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его абсолютной температуре:
p = p0(1+gt)
где р0 - давление газа при температуре t = 273,15 К.
Величина g называется температурным коэффициентом давления. Ее значение не зависит от природы газа; для всех газов = 1/273 °С-1. Таким образом,
p = p0(1 +(1/273)t)
Графическая зависимость давления от температуры изображается прямой линией - изохорой (Рис. 3).
г) Закон Авогадро: при одинаковых давлениях и одинаковых температурах и равных объемах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул; или, что то же самое: при одинаковых давлениях и одинаковых температурах грамм-молекулы различных идеальных газов занимают одинаковые объемы.
Так, например, при нормальных условиях (t = 0°C и p = 1 атм = 760 мм рт. ст.) грамм-молекулы всех идеальных газов занимают объем Vm = 22,414 л.· Число молекул, находящихся в 1 см3 идеального газа при нормальных условиях, называется числом Лошмидта; оно равно 2,687*1019> 1/см3
3. Уравнение состояния идеального газа имеет вид:
pVm = RT
где р, Vm и Т - давление, молярный объем и абсолютная температура газа, а R - универсальная газовая постоянная, численно равная работе, совершаемой 1 молем идеального газа при изобарном нагревании на один градус:
R = 8.31*103 Дж/(кмоль*град)
Для произвольной массы M газа объем составит V = (M/m)*Vm и уравнение состояния имеет вид:
pV = (M/m) RT
Это уравнение называется уравнением Менделеева - Клапейрона.
4. Из уравнения Менделеева - Клапейрона следует, чти число n0 молекул, содержащихся в единице объема идеального газа, равно
n0 = NA/Vm = p*NA /(R*T) = p/(kT)
где k = R/NA = 1/38*1023 Дж/град - постоянная Больцмана, NA - число Авогадро.
Между параметрами состояния идеального газа существует связь, называемая уравнением состояния. Французский инженер Б. Клапейрон (1799–1864) обобщил экспериментальные газовые законы и установил связь между параметрами (уравнение Клапейрона ):
Русский ученый Д.И. Менделеев (1834–1907) объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро. Согласно закону Авогадро , при одинаковых и моль любого газа занимает одинаковый молярный объем , поэтому Менделеев сделал вывод, что постоянная в правой части равенства будет одинакова для всех газов. Эта общая для всех газов постоянная обозначается и называется универсальной газовой постоянной .
Числовое значение можно определить, подставив в формулу значения параметров при НУ . Согласно расчетам, .
Перейдем к произвольной массе газа . При тех же условиях она будет занимать объем . Тогда
Это уравнение является уравнением состояния идеального газа (уравнением Клапейрона – Менделеева ).
Введем постоянную , называемую постоянной Больцмана . Тогда
где концентрация молекул. Следовательно, из 7.4.2 следует, что давление идеального газа при данной температуре прямо пропорционально концентрации его молекул, а плотность обратно пропорциональна температуре.
В системе СИ давление измеряется в Паскалях . Кроме того, для измерения давления используется ряд величин:
Число молекул, содержащихся в 1 м 3 газа при нормальных условиях, называется числом Лошмидта: .
Пример 7.4.1. В баллоне объемом находится гелий под давлением и при температуре . После того, как из баллона было взято гелия, температура в баллоне понизилась до . Определить давление газа, оставшегося в баллоне.
Решение:
Для начального состояния уравнение Менделеева – Клапейрона имеет вид:. Поскольку объем гелия в конечном состоянии будет таким же (ограничен объемом сосуда), то для конечного состояния . Из этих уравнений найдем массы: и .
Учитывая, что , получим .
Выразим искомое давление:
Ответ: .
Пример 7.4.2. Найти молярную массу воздуха, считая, что он состоит (по массе) из одной части кислорода и трех частей азота.
Решение:
Свойствами идеального газа могут обладать не только химически однородные газы, но и газовые смеси. Чтобы применить уравнение состояния для газовой смеси, ей необходимо приписать некоторую, хотя и лишенную химического смысла, молярную массу . Величину выбирают такой, чтобы она удовлетворяла уравнению состояния идеального газа, записанному для смеси: . Откуда давление смеси.
Запишем уравнение Клапейрона – Менделеева для каждой из компонент смеси: и . Выразим парциальные давления газов, входящих в смесь: и . По закону Дальтона давление смеси газов равно сумме
их парциальных давлений: . Следовательно, .
Учитывая, что масса смеси , получим .
Искомая молярная масса смеси равна
Ответ: .
Пример 7.4.3. Плотность смеси азота и водорода при температуре и давлении равна . Найти концентрацию молекул азота и водорода в смеси.
Решение:
Запишем уравнение состояния идеального газа для смеси газов: . Учтем, что молярная масса смеси (см. пример 7.4.2), поскольку и , то .
Подставим значения молярной массы смеси в уравнение Клапейрона – Менделеева.
Тогда или (1), где – плотность смеси .
С другой стороны, давление смеси газов равно (2). Решая совместно (1) и (2), найдем (м -3) и (м -3).
Ответ: , .
7.5. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов
Применим статистический метод для расчета давления газа на стенки сосуда, в котором он находится. Давление газа на любую стенку равно отношению силы, с которой молекулы газа действуют на эту стенку, к площади ее поверхности:
Пусть газ находится в сосуде кубической формы с ребром (рис. 7.5.1, а). Рассмотрим стенку, перпендикулярную оси Ox (рис. 7.5.1, б). Найдем силу, с которой на нее будет действовать одна молекула газа. Обозначим массу одной молекулы, скорость молекулы. Молекулы газа могут менять направление скорости только при ударе о стенки (считаем, что взаимные столкновения к этому не приводят). Изменение импульса молекулы при ударе равно . С другой стороны, изменение импульса молекулы равно импульсу силы, действующей на нее со стороны стенки. Обозначим силу, действующую на стенку сосуда со стороны молекулы . Тогда по третьему закону Ньютона сила, с которой стенка будет действовать на молекулу, равна . Следовательно, , где .
Давление, производимое газом на эту стенку:
где объем сосуда.
Так как давление газа на все стенки сосуда одинаково (закон Паскаля), то
С учетом того, что , (суммарная кинетическая энергия молекул газа),
Это уравнение называется основным уравнением МКТ : произведение давления идеального газа на его объем равно двум третьим величины кинетической энергии поступательного движения всех его молекул.
Глава 8. Статистические распределения
Клапейрона - Менделеева уравнение, найденная Б. П. Э. Клапейроном (1834) зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа: давлением газа р, его объёмом V и абсолютной температурой Т.
К. у. записывается в виде pV = ВТ, где коэффициент пропорциональности В зависит от массы газа. Д. И. Менделеев, используя Авогадро закон, вывел в 1874 уравнение состояния для 1 моля идеального газа pV = RT, где R - универсальная Газовая постоянная. Для газа, имеющего общую массу М и молекулярную массу (См. Молекулярная масса) μ,
, или pV=NkT,"
где N - число частиц газа, k - Больцмана постоянная. К. у. представляет собой Уравнение состояния, идеального газа, которое объединяет Бойля - Мариотта закон (зависимость между р и V при Т = const), Гей-Люссака закон (См. Гей-Люссака законы) (зависимость V от Т при р = const) и Авогадро закон (согласно этому закону, газы при одинаковых значениях р, V и Т содержат одинаковое число молекул N ).
К. у. - наиболее простое уравнение состояния, применимое с определённой степенью точности к реальным газам при низких давлениях и высоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и др.), когда они близки по своим свойствам к идеальному газу (См. Идеальный газ).
- - выражает связь наклона кривой равновесия двух фаз с теплотой фазового перехода и изменением фазового объёма...
Физическая энциклопедия
- - термодинамич. ур-ние, относящееся к процессам перехода в-ва из одной фазы в другую...
Физическая энциклопедия
- - аналитическая запись задачи о разыскании значений аргументов, при к-рых значения двух данных функций равны...
Математическая энциклопедия
- - математическое утверждение, справедливое для некоторого подмножества всех возможных значений переменной величины. Например, уравнение вида х2=8-2х верно только для определенных значений х...
Научно-технический энциклопедический словарь
- - Требование того, чтобы математическое выражение принимало определенное значение. Например, квадратное уравнение записывается в виде: ах2+bх+с=0...
Экономический словарь
- - КЛАПЕЙРОНА уравнение, зависимость между давлением p, абсолютной температурой T и объемом V идеального газа массы M: pV=BT, где B=M/m . Установлена французским ученым Б.П.Э. Клапейроном в 1834...
Современная энциклопедия
- - устанавливает связь между изменениями равновесных значений темп-ры Т и давления р однокомпонентной системы при фазовых переходах первого рода...
- - найденная Б.П.Э. Клапейроном зависимость между физ. величинами, определяющими состояние идеального газа: pV = BT, где коэф. В зависит от массы газа М и его мол. массы...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- - матем. запись задачи о разыскании значений аргументов, при к-рых значения двух данных функций равны...
Естествознание. Энциклопедический словарь
- - дифференц. ур-ние, устанавливающее связь между давлением р и термодинамич. темп-рой Т чистого в-ва в состояниях, соответствующих фазовому переходу первого рода...
- - Клапейрона - Менделеева уравнение, - ур-ние состояния идеального газа: pVm =RT, где р - давление, Т - термодинамическая температура газа, Vm - молярный объём газа, R - газовая постоянная...
Большой энциклопедический политехнический словарь
- - Соединение данных чисел при помощи знаков различных действий наз. алгебраическим выражением. Напр. /3. Если выполнить указанные действия, то в результате получим 5...
Энциклопедический словарь Брокгауза и Евфрона
- - термодинамическое уравнение, относящееся к процессам перехода вещества из одной фазы в другую...
- - Клапейрона - Менделеева уравнение, найденная Б. П. Э. Клапейроном зависимость между физическими величинами, определяющими состояние идеального газа: давлением газа р, его объёмом V и абсолютной...
Большая Советская энциклопедия
- - в математике, аналитическая запись задачи о разыскании значений аргументов, при которых значения двух данных функций равны...
Большая Советская энциклопедия
- - математическая запись задачи о разыскании значений аргументов, при которых значения двух данных функций равны...
Большой энциклопедический словарь
"Клапейрона уравнение" в книгах
Уравнение теплопроводности
Из книги Истории давние и недавние автора Арнольд Владимир ИгоревичУравнение теплопроводности Провалился под лёд я без лыж в первые дни мая, переходя по льду входящее теперь в черту Москвы стометровое озеро «Миру - мир». Началось с того, что лёд подо мной стал слегка прогибаться, и под кедами показалась вода. Вскоре я понял, что форма льда
Узор «Уравнение»
Из книги Обувь для дома своими руками автора Захаренко Ольга ВикторовнаУзор «Уравнение» Этот узор вяжется так:1-й и 13-й ряд: *2 п. светлой нити, 2 п. темной нити, 1 п. светлой нити, 1 п. темной нити, 3 п. светлой нити, 1 п. темной нити, 1 п. светлой нити, 2 п. темной нити, 1 п. светлой нити*, повторите от * до *; Узор «Уравнение»2-й и все четные ряды: выполняйте все
Уравнение Дюпона
Из книги МВА за 10 дней. Самое важное из программ ведущих бизнес-школ мира автора Силбигер СтивенУравнение Дюпона Ученые имеют привычку давать простым концепциям импозантные названия. Ваш словарь МВА будет неполон без «уравнения Дюпона». Эта диаграмма показывает, как соотносятся между собой некоторые наиболее важные аналитические коэффициенты, при этом
Уравнение миллионера
Из книги Миллионер за минуту. Прямой путь к богатству автора Хансен Марк ВикторУравнение миллионера Каждые 60 секунд кто-нибудь в мире становится миллионером.Именно так. Новый миллионер «возникает» каждую минуту каждого дня. В мире буквально миллионы миллионеров.Некоторым из этих миллионеров понадобилось 60 лет, чтобы накопить свое богатство.
Уравнение Шредингера; уравнение Дирака
Из книги Новый ум короля [О компьютерах, мышлении и законах физики] автора Пенроуз РоджерУравнение Шредингера; уравнение Дирака Выше в этой главе я уже упоминал об уравнении Шредингера, которое является хорошо определенным детерминистским уравнением, во многих отношениях аналогичным уравнениям классической физики. Правила гласят, что до тех пор, пока над
25. Уравнение профессора
Из книги Интерстеллар: наука за кадром автора Торн Кип Стивен25. Уравнение профессора В «Интерстеллар» гравитационные аномалии волнуют профессора Брэнда по двум причинам. Если он поймет их природу, это может привести к революционному скачку в наших познаниях о гравитации, к скачку столь же грандиозному, как эйнштейновская
Клапейрона уравнения
Из книги Энциклопедический словарь (К) автора Брокгауз Ф. А.Клапейрона уравнения Клапейрона уравнения или формулы – выражают зависимость между моментами, действующими в трех последовательных опорных точках неразрезного бруса, т. е. непрерывной балки, поддерживаемой более чем двумя опорами. Уравнений этих можно составить