Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

P2_10_13

.pdf
Скачиваний:
106
Добавлен:
03.06.2015
Размер:
623 Кб
Скачать
☆

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

слорода (O2 )и гелия (He). Найдите парциальные давления газов и

плотность смеси газов.

Решение. Пусть смесь газов находится в сосуде объёмом V , а m− масса каждой компоненты смеси (по условию массы азота, кислорода и гелия одинаковы). Запишем уравнение состояния для смеси газов

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

m

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pV =

 

+

 

 

+

 

 

RT .

 

 

 

 

 

 

 

 

Mаз

Mк

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mг

 

Здесь

Mаз =28г/моль−молярная масса азота, Mк =32 г/моль− мо-

лярная

масса

кислорода,

Mг =4 г/моль−молярная

масса гелия,

T =300 К.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Общая масса содержимого сосуда равна 3m . Тогда,

воспользовав-

шись уравнением состояния, для плотности смеси получаем

ρсм =

3m

 

=

3p

 

 

 

 

Mаз Mк Mг

 

 

 

 

=0,38 кг/м3 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V RT

Mаз Mк +Mаз Mг +Mк Mг

 

Для парциальных давлений азота, кислорода и гелия находим

pаз =

mRT

= p

 

 

 

 

Mк Mг

 

 

 

 

= 0,113 105 Па,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VMаз

 

 

 

 

Mаз Mк + Mаз Mг + Mк Mг

 

pк = mRT = p

 

 

 

 

Mаз Mг

 

 

 

 

 

= 0,099 105 Па,

Mаз Mк +Mаз Mг + M

 

 

 

 

VMк

 

 

к Mг

 

pг = p − pаз − pк = 0,788 105 Па.

7. Молекулярно-кинетическая теория идеального газа

7.1. Модель идеального газа в молекулярно-кинетической теории

Законы идеальных газов, найденные опытным путём, находят довольно простое объяснение в молекулярно-кинетической теории (МКТ). Она исходит при этом из упрощённых представлений о строении газа. Это обусловлено рядом причин, в частности неточным знанием сил взаимодействия между молекулами. Однако, как оказывается, даже такая упрощённая модель газа позволяет найти уравнение состояния, правильно описывающее его поведение.

В молекулярно-кинетической теории принимается следующая идеализированная модель газа – идеальный газ. Молекулы газа считаются твёрдыми, абсолютно упругими шариками, причём размеры молекул малы по сравнению со средним расстоянием между ними. Это означает, что собственный суммарный объём молекул значительно меньше объ-

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

21

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

ёма сосуда, в котором находится газ. Взаимодействие между молекулами проявляется только при непосредственном столкновении их друг с другом. Между столкновениями молекулы движутся по инерции. Движение молекул подчиняется законам механики Ньютона.

Для нахождения уравнения состояния газа необходимо сделать ещё важное упрощающее предположение, а именно, считать движение любой молекулы газа беспорядочным, хаотичным.

Аккуратный вывод основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа требует принимать во внимание ряд моментов, например, наличие в газе молекул, движущихся с разными по величине скоростями, столкновения молекул между собой, характер столкновения отдельной молекулы со стенкой сосуда (упругий или неупругий). В разделе 7.3 будет рассмотрен упрощённый вариант вывода основного уравнения молекулярно-кинетической теории.

7.2. Давление идеального газа

Давление, которое оказывает газ на стенку сосуда, есть результат ударов молекул газа о стенку. Если бы в сосуде содержалось всего несколько молекул, то их удары следовали бы друг за другом редко и беспорядочно. Поэтому нельзя было бы говорить ни о какой регулярной силе давления, действующей на стенку. Стенка подвергалась бы отдельным практически мгновенным бесконечно малым толчкам. Если же число молекул в сосуде очень велико, то велико и число ударов их о стенку сосуда. Одновременно о стенку сосуда ударяется громадное количество молекул. Очень слабые силы отдельных ударов складываются при этом в значительную по величине и почти постоянную силу, действующую на стенку. Среднее по времени значение этой силы, отнесённое к единичной площадке, и есть давление газа, с которым имеет дело термодинамика.

Пусть в сосуде объёма V находятся N одинаковых молекул идеального газа, а m0 – масса одной молекулы. В рамках молекулярно-

кинетической теории показывается, что давление P газа определяется выражением

P = 1 m0n

 

,

(11)

v2

3

 

 

 

 

где n = N / V – концентрация молекул

газа,

v2

– среднее значение

квадрата скорости молекулы. Выражение (11) называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории идеального газа.

Заметим, что величина m0 v2 / 2 есть средняя кинетическая энергия

E поступательного движения молекулы. Поэтому полученную формулу можно представить в другом виде:

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

22

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

P =

2

 

 

 

(12)

nE.

 

3

 

 

 

 

 

Ниже приводится один из способов вывода уравнения (11). Данный раздел при первом прочтении можно пропустить.

7.3.* Вывод основного уравнения МКТ идеального газа

Вычислим среднее давление газа на стенку сосуда.

Для простоты будем считать, что удар молекулы о стенку происхо-

дит абсолютно упруго, а сама стенка

 

 

Y

 

идеально гладкая и молекула после

 

 

 

удара отражается от неё под тем же

 

r′

 

 

углом, под каким она падала на стенку

 

 

 

(см. рис. 10), или, как говорят, зеркаль-

 

v

 

 

но (однако ясно, что никаких гладких

α

 

 

X

стенок не существует: ведь сама стенка

 

O

 

 

состоит из молекул).

α

 

 

Введём систему координат, напра-

 

 

v

 

 

 

вив ось OX перпендикулярно стенке, а

 

 

 

ось OY – вдоль стенки (см. рис. 10).

 

 

 

 

Пронумеруем все молекулы от i =1

 

 

 

 

до i = N. Пусть vi ,x , (vi ,x > 0)− проек-

 

 

 

 

 

Рис. 10

 

ция скорости i -ой молекулы на ось до

 

 

 

 

 

 

удара. При абсолютно упругом ударе о стенку проекция скорости на ось OX изменяет знак: v′i ,x = −vi ,x . Изменение проекции импульса молекулы на ось OX при столкновении молекулы со стенкой равно

pi,x = m0 vi′,x −m0 vi,x = −2m0 vi,x ,

а передаваемый стенке импульс равен

pi,x, стен = − pi,x = 2m0 vi,x .

Так как давление газа не зависит от формы сосуда, возьмём для простоты сосуд в форме куба с ребром l . Тогда промежуток времени между двумя последовательными столкновениями молекулы с одной и той же стенкой составит τi = 2lvi,x , а за большой интервал времени t она

столкнётся со стенкой Nстолк,i =tτi раз. Переданный стенке одной молекулой за это время импульс равен

2m0 vi ,x Nстолк,i = 2m0 vi ,x v2i ,xlt = m0 vi2,x tl .

Так как в сосуде находятся N молекул, то полный переданный стенке импульс всех молекул равен

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

23

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

i=N

m t i=N

px,∑ = ∑ pi,x, стен =

0

∑vi2,x .

l

i=1

i=1

Среднюю силу давления на стенку можно получить, разделив полный передаваемый стенке импульс на время t :

 

px,∑

 

m

i=N

Fx, ср =

 

=

0

∑vi2,x ,

t

l

 

 

i=1

а давление P – разделив эту силу на площадь стенки S =l 2 :

 

Fx, ср

 

m

i=N

m

i=N

P =

 

=

 

0

∑vi2,x =

0

∑vi2,x .

S

l

3

V

 

 

 

i=1

i=1

Здесь учтено, что объём сосуда V =l 3 . Если ввести среднее значение квадрата проекции скорости одной молекулы

 

 

 

1

i =N

 

 

 

 

vx2

=

∑vi2,x ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N i=1

 

 

 

то для давления P получаем

 

 

 

 

P =

m0 N

 

 

.

 

 

 

 

 

 

vx2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

 

Входящую в это выражение величину

vx2

можно выразить через

среднее значение квадрата скорости молекулы.

Из

соотношения

v2 = vx2 + v2y + vz2 для средних значений имеем:

v2 = vx2

+ v2y

+ vz2 . Так как

движение молекул беспорядочное, то все направления движения равновероятны и средние значения квадратов проекций на любое направле-

ние должны быть равны vx2 =

v2y

= vz2 . Отсюда получаем: v2 =3vx2 , что

позволяет записать выражение для давления в виде

 

 

 

1 m0 N

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

P =

v

2

,

или P =

m0 nv

2

,

3 V

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где n = N / V – концентрация молекул газа.

8. Молекулярно-кинетический смысл температуры

Найдём связь между средней кинетической энергией E поступательного движения молекулы газа и его температурой T . Учитывая соотношение n = N / V , перепишем уравнение (10) в виде:

PV = 23 N E.

Сравнивая полученное уравнение с уравнением Менделеева– Клапейрона

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

24

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

PV =vRT =

N

RT ,

 

 

NA

получаем для средней кинетической энергии E :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

m0 v2

=

3

 

R

T =

3

kT ,

E

 

 

 

 

 

2

 

2

 

NA

2

 

где k =1,38 10−23 Дж/К– постоянная Больцмана. С учётом этого соотношения выражение (12) для давления можно записать в виде:

P =nkT .

В состоянии теплового равновесия средняя кинетическая энергия поступательного движения любых молекул имеет одно и то же значение, т. е. средняя кинетическая энергия молекул обладает основным свойством температуры – в состоянии теплового равновесия она одинакова для всех молекул газов, находящихся в тепловом контакте, а также для различных молекул газовой смеси. Величину E можно принять, поэтому, за меру температуры газа. В этом и состоит физический смысл температуры с молекулярно-кинетической точки зрения.

Скорость хаотического (теплового) движения молекул характеризу-

ется средней квадратичной скоростью

v

=

 

= 3kT .

v2

ср.кв

 

 

m0

 

 

 

Задача 8. В сосуде объёмом V =0,54 м3 находится m =1 кг газа при давлении P =105 Па . Найдите среднюю квадратичную скорость молекул газа и их суммарную среднюю кинетическую энергию поступательного движения.

Решение. Если m0 − масса одной молекулы, то полное число молекул газа в сосуде N = m / m0 . Тогда из основного уравнения молекуляр- но-кинетической теории идеального газа имеем

kT = PVN = PVm m0 .

Подставим полученное соотношение в выражение для средней кинетической энергии E поступательного движения одной молекулы через абсолютную температуру T

 

 

=

m0

v2

 

= 3 kT =

3 PV m .

E

 

 

 

2

2

2

m

0

 

Решая полученное уравнение, для средней квадратичной скорости находим

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

25

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

vср.кв =

 

=

3PV

≈ 402, 5 м/с.

v2

 

 

 

m

 

Для суммарной средней кинетической энергии поступательного

движения получаем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= N

m0

 

 

m 3

PV m

 

3 PV = 81

 

 

 

 

v2

=

=

кДж.

E

сум

 

 

 

 

 

 

m0 2

 

 

 

2

 

m

0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопросы и задачи, отмеченные знаком *, относятся к задачам повышенной сложности.

Контрольные вопросы

1. В молекулярно-кинетической теории газов используется модель идеального газа. Укажите наиболее важные особенности этой модели газа, а также условия, при выполнении которых свойства реальных газов близки к свойствам идеального газа.

2.

Рассчитайте плотность воздуха на вершине Эвереста при

температуре

t = 0oC. Давление на

вершине

принять

равным

p = 250 ммрт.ст. Молярная масса воздуха M В =

29 г/ моль.

3.

Шина автомобиля накачана воздухом до давления

2,2 атм.

Определите

массу воздуха в шине

объёмом V =12 л,

если его

температура равна t = 27oC.

4. Два моля идеального газа сначала изобарически расширяются.

При этом объём газа увеличивается вдвое: V2

= 2V1

. Затем

 

газ

нагревается

при

постоянном объёме

до

давления p3

=

2 p1 .

Далее

происходит изотермическое расширение газа до

давления

p4

 

= p1 .

Нарисуйте график этого процесса в координатах

p, V ;

V , T;

 

p, T .

Температура и давление газа в начальном

 

 

 

 

 

 

 

состоянии 1 равны t1 = −23oC и P1=104 Па,

 

ρ

 

 

 

 

 

соответственно.

Определите

значения

ρ

 

 

 

 

 

 

неизвестных температур, объёмов и давлений

0

 

1

 

 

 

2

газа в состояниях 1, 2, 3, 4.

 

T , ρ

 

 

 

 

 

 

 

5*. На рисунке 11 в

координатах

 

 

 

 

 

 

3

(температура, плотность) изображён график

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

теплового процесса для постоянной массы

 

 

 

 

 

 

 

идеального газа. Точка 1 соответствует

 

 

 

 

 

 

T

начальному

состоянию

газа,

точка

3

–

 

0

T0

 

2T0

конечному. Нарисуйте график этого процесса

 

 

 

 

 

в координатах

p, V ; V , T .

Определите

 

Рис. 11

 

 

значения давления газа в состояниях 1, 2 и 3.

Считать известными величины ρ0 , T0 и M (молярная масса газа).

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

26

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

 

 

 

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

6*. При нагревании идеального газа была

 

Р, Па

получена зависимость давления от темпера-

 

2

туры, изображённая на рис. 12. Определите, что

 

производилось во время нагревания газа:

 

 

сжатие или расширение? T −

абсолютная

 

 

температура.

 

 

1

7. Находившуюся в воздухе небольшую про-

 

 

бирку погружают в воду в вертикальном поло-

0

Т, К

жении открытым концом вниз. Определите

глубину погружения, если известно, что воздух

 

Рис. 12

на этой глубине занимает половину объёма

 

 

 

пробирки. Температуру воды считать постоянной, давлением паров во-

ды пренебречь, давление атмосферного воздуха равно 1 атм.

8.Каково давление газа, если при температуре t = 77DC в одном кубическом сантиметре находится 1015 молекул?

9.При некоторой температуре средняя квадратичная скорость молекулы кислорода равна 400 м/с. Какова при этой же температуре средняя квадратичная скорость атома гелия?

Задачи

1. Определите химическую формулу соединения углерода с кислородом, если m =1г этого вещества в газообразном состоянии создаёт в

сосуде

объёмом V =1л при температуре t = 27 oC давление

P =0,57 атм. Молярные массы углерода и кислорода равны, соответ-

ственно,

M c = 0,012 кг/моль и M o = 0,016 кг/моль.

2. В вертикальном цилиндре с гладкими стенками под невесомым поршнем находится ν =50 моль газа, занимающего объём V =1 м3 при температуре T = 500 К. С какой силой надо действовать на пор-

шень перпендикулярно его поверхности, чтобы он оставался непод-

вижным? Атмосферное давление P0

=100 кПа, площадь поршня

S = 20 см2 .

 

3. Спутник погрузился в тень Земли. При этом температура внутри

спутника, равная вначале T0

=300 К, упала на 1%, из-за чего давление

воздуха понизилось на

P =1000 Па. Определите массу воздуха в

спутнике, если воздух занимает объём V

=10 м3 .

 

 

4. В резервуаре объёмом V =1 м3 находится воздух при давлении

p =2 атм. К

резервуару подсоединен

насос, который при каждом

рабочем ходе

захватывает

V0

=1 л

воздуха из

атмосферы

при

нормальных условиях

(P0 =105

Па, T0

= 273 К) и

нагнетает

его в

резервуар. Температура в резервуаре постоянна и равна T = 364 К.

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

27

2013-2014 уч. год, №2, 10 кл. Физика.

Основы молекулярно-кинетической теории. Законы идеального газа

Сколько ходов должен сделать поршень насоса, чтобы повысить давление воздуха в резервуаре в 5 раз?

5. Газ находится в вертикальном цилиндре с гладкими стенками под тяжелым поршнем с площадью поперечного сечения S =30 см2 . Когда цилиндр перевернули открытым концом вниз, оказалось, что в новом равновесном состоянии объём газа в три раза больше

первоначального. Определите массу поршня. Атмосферное давление

P0

=

105

Па ,

g =10 м/с2 . Температура поддерживается постоянной.

V0

6.

При

давлении P0

=106

Па идеальный

газ занимает

объём

=

5 л.

В

результате

изотермического

расширения

его

объём

увеличился

на

V =1 л,

а

концентрация

молекул

стала

равна

n =3,62 1026

м−3 . При какой температуре проводился опыт?

 

 

7.

Плотность

газа, состоящего из смеси гелия и аргона,

равна

ρ = 2 кг/м3

 

при

давлении

p =150 кПа

и температуреt = 27 oC.

Определите парциальные давления гелия и аргона, а также полное

число атомов гелия в 1 см3 .

 

 

8. В вертикально расположенной тонкостенной трубке

длиной

3L =840 мм с открытым в

атмосферу верхним концом, столбиком

ртути длиной L = 280 мм

заперт слой воздуха длиной L .

Какой

максимальной длины слой ртути можно долить сверху в трубку, чтобы она из трубки не выливалась? Опыт производится при постоянной

температуре,

внешнее

давление

составляет

770 мм. рт.ст.

(МФТИ, 2000 г.)

 

 

 

 

 

9. Плотность газа,

состоящего

из смеси

гелия

и

аргона,

ρ = 2 кг / м3

при давлении p =150 кПа и температуре

(t

= 27 oC).

Определите парциальные давления гелия и аргона, а также среднюю кинетическую энергию поступательного движения всех атомов гелия в

1см3 .

10.Воздушный шарик, вынесенный из тёплой комнаты (t1 = 27 oC) на мороз (t2 = −23oC), некоторое время свободно плавает в воздухе.

Определите

массу резиновой оболочки

шарика. Объём шарика

V =0,2 м3 ,

атмосферное давление

p0 =105 Па. Упругостью

оболочки пренебречь.

© 2013, ЗФТШ МФТИ, Кузьмичёв Сергей Дмитриевич

28

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]