2. Законы идеальных газов.
Некоторые экспериментально установленные факты, многократно проверенные опытом, получили название основных газовых законов. Впоследствии развившаяся молекулярно-кинетическая теория газов дала возможность вывести эти же законы аналитически. Знание этих законов позволяет производить анализ так называемых термодинамических процессов.
Закон Бойля – Мариотта. Из кинетической теории газов известно, что давление р может быть выражено формулой
(13)
где т - масса молекулы;
п - число молекул;
- скорость молекул.
Массу молекул в
единице объема (т п) можно представить
как величину плотности, т.е.
,
где g - ускорение силы тяжести. Имея в
виду, что
(где
-
удельный объем газа), получим:
откуда
(14)
При неизменной
скорости движения молекул, что
соответствует значению Т = const, будем
иметь
=
const. Это позволяет написать:
,
(15)
т. е. расширяя или сжимая газ при постоянной температуре, произведение давления газа на его объем остается неизменным, откуда
.
(16)
Это соотношение впервые было получено экспериментально Бойлем (1662 г.), а впоследствии также и Мариоттом (1676 г.), которое может быть сформулировано следующим образом: при неизменной температуре Т = const) давление газа изменяется обратно пропорционально изменению объема. Этот закон справедлив для любых значений объемов газа, в том числе и для удельных объемов, а это означает, что
.
(17)
Формула (17) позволяет считать, что при неизменной температуре плотность газа изменяется прямо пропорционально давлению.
Уравнение (15) в системе р - координат представляет собой кривую второго порядка, равнобокую гиперболу.
Закон Гей-Люссака.
Экспериментально доказано, что все газы
при нагревании расширяются на одну и
ту же величину, равную
,
с повышением температуры на 1°С.
Из этого закона вытекает весьма важное следствие.
При нагревании или охлаждении газа при неизменном давлении объем его изменяется (увеличивается при нагревании и уменьшается при охлаждении) прямо пропорционально изменению абсолютных температур.
.
(18)
Полученная связь справедлива для любого количества газа, в том числе и для 1 кг газа. Тогда
,
(19)
т. е. при неизменном давлении плотность газа изменяется обратно пропорционально абсолютным температурам. Из формулы (21) следует
(19a)
т. е. при р = const произведение плотности газа на абсолютную температуру есть величина постоянная.
Закон Шарля.
Все газы в процессе их нагревания или
охлаждения в условиях неизменного
объема изменяют свое давление на
от своего первоначального значения
давления.
Следствием этого закона является следующее положение. По мере нагревания или охлаждения газа при = const давление его изменяется прямо пропорционально изменению абсолютных температур.
По аналогии с предыдущим выводом можно написать
(20)
Закон Авогадро.
При одинаковых давлениях и температурах
в равных объемах двух или нескольких
газов содержится одинаковое число
молекул. Возьмем два равных объема V
двух разных газов. Пусть в первом из них
содержится всего
молекул при числе молекул в единице
объема этого газа, равном
.
Аналогично для второго газа имеем
N2
и п2.
Массы молекул и давления газов равны
соответственно Т1,
р1,
Т2,
р2.
Если допустить, что давления газов
одинаковы, т. е. р1
= р2,
то
.
(21)
При одинаковых температурах кинетическая энергия поступательного движения молекул одинакова, т. е.
.
(22)
Тогда
(23)
откуда
Умножая обе части
уравнения на
получим
N1 = N2. (24)
Известно, что каждый газ характеризуется определенной молекулярной массой , которая часто именуется грамм-молекулой или килограмм-молекулой по массе (последняя в 1000 раз больше первой).
Объем указанной массы газа составляет соответственно грамм или килограмм-моль газа по объему.
Авогадро определил число молекул в грамм-молекуле (грамм-моле):
N = 6,0251023.
Объем одного килограмм-моля газа, или, что одно и то же, объем килограмм-молекулы любого газа, взятого в одних и тех же условиях, есть величина постоянная. Так, например, при нормальных физических условиях р = 101 325 Н/м2 и t = 0°С этот объем равен 22,4 м3 для любых газов и не зависит от природы этих газов, а при нормальных технических условиях составляет 24,4м3.
Таким образом, известные газовые законы являются частными случаями, вытекающими из общего уравнения состояния.
