-->
|
|
|
Ãëàâíàÿ >> Ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà. Òåðìîäèíàìèêà. Ôèçèêà 10 êë. Ìÿêèøåâ |
|
Ãëàâà 3. Òåìïåðàòóðà. Ãàçîâûå çàêîíû § 3.9. Óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà
Óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ § 3.5 è 3.6 âû îçíàêîìèëèñü ñ ïîâåäåíèåì èäåàëüíîãî ãàçà â ñïåöèàëüíî ñîçäàííûõ óñëîâèÿõ. Äâà ïàðàìåòðà èç òðåõ (ð, V èëè V, Ò) èçìåíÿëèñü ïðè ïîñòîÿííîì çíà÷åíèè òðåòüåãî (Ò èëè ð). Îáû÷íî æå â ïðèðîäå è òåõíèêå ó ãàçà ìåíÿþòñÿ ñðàçó âñå òðè ïàðàìåòðà. Íàïðèìåð, êîãäà íàãðåòûé ó ïîâåðõíîñòè Çåìëè âîçäóõ ïîäíèìàåòñÿ ââåðõ, òî îí ðàñøèðÿåòñÿ, äàâëåíèå åãî óìåíüøàåòñÿ è òåìïåðàòóðà ïîíèæàåòñÿ. Èñïîëüçóÿ ãàçîâûå çàêîíû (3.5.2) è (3.7.8), ìîæíî ïîëó÷èòü óðàâíåíèå, ñâÿçûâàþùåå âñå òðè ïàðàìåòðàð, V è Ò, õàðàêòåðèçóþùèå ñîñòîÿíèå ãàçà äàííîé ìàññû. Ýòî óðàâíåíèå íàçûâàþò óðàâíåíèåì ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà. Èçìåíåíèå ñîñòîÿíèÿ ãàçàÄëÿ îïûòà èñïîëüçóåì óæå èçâåñòíûé íàì ïðèáîð (ñì. ðèñ. 3.7). Ïóñòü â íà÷àëüíîì ñîñòîÿíèè 1 ãàç â ñîñóäå (ðèñ. 3.12, à) èìååò äàâëåíèå ð1, îáúåì V1 è òåìïåðàòóðó Ò1, ðàâíóþ òåìïåðàòóðå îêðóæàþùåãî âîçäóõà. Çàòåì ãàç ïåðåõîäèò â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå 2, ïðè êîòîðîì äàâëåíèå, îáúåì è òåìïåðàòóðà áóäóò èìåòü çíà÷åíèÿ ð2, V2, Ò2. Êàêîâà ñâÿçü ìåæäó âñåìè ýòèìè âåëè÷èíàìè?
Ïåðåâåäåì ãàç èç ñîñòîÿíèÿ 1 â ñîñòîÿíèå 2 ñ ïîìîùüþ äâóõ ïðîöåññîâ, ïîä÷èíÿþùèõñÿ çàêîíàì Ãåé-Ëþññàêà è Áîéëÿ— Ìàðèîòòà: èçîáàðíîãî è èçîòåðìè÷åñêîãî. Äëÿ ýòîãî ïîìåñòèì ñîñóä â áîëüøóþ áàíêó ñ âîäîé, íàãðåòîé äî òåìïåðàòóðû Ò2 (ðèñ. 3.12, á). Âîäà â áàíêå áóäåò ñëóæèòü òåðìîñòàòîì. Îäíîâðåìåííî íà÷íåì óâåëè÷èâàòü îáúåì ãàçà òàê, ÷òîáû äàâëåíèå ð1 îñòàâàëîñü ïîñòîÿííûì (èçîáàðíûé ïðîöåññ). Ãàç ñ òå÷åíèåì âðåìåíè ïåðåéäåò â ïðîìåæóòî÷íîå ñîñòîÿíèå 1' ñ îáúåìîì V' è òåìïåðàòóðîé Ò2. Ãðàôè÷åñêè ýòîò ïåðåõîä èçîáðàçèòñÿ ïðÿìîé 1—1' íà ðèñóíêå 3.13.
Çàòåì èçîòåðìè÷åñêè ïðè òåìïåðàòóðå Ò2 ïåðåâåäåì ãàç â êîíå÷íîå ñîñòîÿíèå ñ äàâëåíèåì ð2 è îáúåìîì V2, ìåäëåííî óìåíüøàÿ îáúåì ñîñóäà (ðèñ. 3.12, â). Ãðàôè÷åñêè ýòî èçîáðàçèòñÿ ó÷àñòêîì ãèïåðáîëû 1'—2 (ñì. ðèñ. 3.13). Âûâîä óðàâíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçàÑîãëàñíî çàêîíó Ãåé-Ëþññàêà (3.7.8)
Ïðèìåíÿÿ çàêîí Áîéëÿ—Ìàðèîòòà (3.5.2) äëÿ èçîòåðìè÷åñêîãî ïðîöåññà, ïîëó÷èì p1V'=p2V2. (3.9.2) Âûðàçèì èç óðàâíåíèÿ (3.9.1) V':
è ïîäñòàâèì ïîëó÷åííîå çíà÷åíèå â óðàâíåíèå (3.4.2), òîãäà
 ïðåäåëàõ òî÷íîñòè, îáåñïå÷èâàåìîé ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêîé, äàííûé ðåçóëüòàò ñîãëàñóåòñÿ ñ îïûòîì. Òàê êàê íà÷àëüíîå è êîíå÷íîå ñîñòîÿíèÿ ãàçà âûáðàíû ïðîèçâîëüíî, òî ïðîèçâåäåíèå äàâëåíèÿ ãàçà äàííîé ìàññû íà åãî îáúåì, äåëåííîå íà àáñîëþòíóþ òåìïåðàòóðó, åñòü âåëè÷èíà ïîñòîÿííàÿ, íå çàâèñÿùàÿ îò ñîñòîÿíèÿ, â êîòîðîì íàõîäèòñÿ ãàç:
Óðàâíåíèå (3.9.5) íîñèò íàçâàíèå óðàâíåíèÿ Êëàïåéðîíà* è ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé îäíó èç ôîðì çàïèñè óðàâíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ èäåàëüíîãî ãàçà. * Á. Ï. Êëàïåéðîí (1799—1864) — ôðàíöóçñêèé ôèçèê, â òå÷åíèå 10 ëåò ðàáîòàë â Ðîññèè. Åñëè âåëè÷èíà Óíèâåðñàëüíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿÂîçüìåì âíà÷àëå ãàç â êîëè÷åñòâå 1 ìîëü, åãî îáúåì îáîçíà÷èì ÷åðåç VM. Ïðè òåìïåðàòóðå 0 °Ñ è àòìîñôåðíîì äàâëåíèè 101 325 Ïà îáúåì ìîëÿ ëþáîãî ãàçà îäèí è òîò æå: VÌÎ = 0,0224 ì3/ìîëü. Ñëåäîâàòåëüíî, äëÿ ìîëÿ ëþáîãî ãàçà
Òàêèì îáðàçîì, äëÿ îäíîãî ìîëÿ ãàçà ïðîèçâåäåíèå äàâëåíèÿ íà îáúåì, îòíåñåííîå ê àáñîëþòíîé òåìïåðàòóðå, ÿâëÿåòñÿ ïîñòîÿííîé âåëè÷èíîé äëÿ âñåõ ãàçîâ. Ýòó ïîñòîÿííóþ íàçûâàþò óíèâåðñàëüíîé ãàçîâîé ïîñòîÿííîé è îáîçíà÷àþò áóêâîé R: R = 8,31 Äæ/(ìîëü • Ê). (3.9.6) Óðàâíåíèå Ìåíäåëååâà—ÊëàïåéðîíàÄëÿ 1 ìîëü èäåàëüíîãî ãàçà, êàê âûòåêàåò èç âûðàæåíèé (3.9.5) è (3.9.6), pVM = RT. (3.9.7)
Ïóñòü òåïåðü êîëè÷åñòâî ãàçà ðàâíî íå 1 ìîëü, à ïðîèçâîëüíîìó ÷èñëó ìîëåé
Óìíîæàÿ îáå ÷àñòè óðàâíåíèÿ (3.9.7) íà v è ó÷èòûâàÿ óðàâíåíèå (3.9.8), ïîëó÷èì íàèáîëåå îáùóþ ôîðìóëó óðàâíåíèÿ ñîñòîÿíèÿ äëÿ ïðîèçâîëüíîé ìàññû èäåàëüíîãî ãàçà
 òàêîé ôîðìå óðàâíåíèå ñîñòîÿíèÿ áûëî âïåðâûå çàïèñàíî âåëèêèì ðóññêèì ó÷åíûì Ä. È. Ìåíäåëååâûì. Ïîýòîìó óðàâíåíèå (3.9.9) íàçûâàþò óðàâíåíèåì Ìåíäåëååâà — Êëàïåéðîíà. Åäèíñòâåííàÿ âåëè÷èíà â óðàâíåíèè ñîñòîÿíèÿ, çàâèñÿùàÿ îò ðîäà ãàçà, ýòî åãî ìîëÿðíàÿ ìàññà.
|
|
|