Уравнение состояния идеального газа. В молекулярно-кинетической теории идеальным называют теоретическую модель газа, удовлетворяющую следующим условиям:
– собственный объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ;
– потенциальная энергия взаимодействия молекул пренебрежимо мала по сравнению с кинетической энергией их хаотического движения;
– удары молекул газа о стенки сосуда являются абсолютно упругими.
Модель идеального газа была предложена Дж.Герапатом в 1847 г.
Состояние газа определяется рядом параметров, важнейшими из которых являются температура и давление. В термодинамике температура – это величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы, а давление – сила, действующая на единицу площади поверхности в направлении нормали к ней. Молекулярно-кинетическая теория, опираясь на модель идеального газа, связывает температуру и давление с усредненными характеристиками движения молекул газа. В результате температура определяется как физическая величина, являющаяся мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул газа. Давление определяется суммарным импульсом, передаваемым молекулами в единицу времени единице площади поверхности сосуда, в котором находится газ.
|
|
Параметры состояния идеального газа связаны уравнением
, (1)
где , и – | соответственно давление, объем и масса газа; |
m – | молярная масса, т. е. масса одного моля газа; |
– | термодинамическая температура, измеряемая в кельвинах; |
– | универсальная газовая постоянная. |
Отношение определяет количество вещества или число молей идеального газа. Эту же величину можно получить, разделив число молекул в данной массе газа на постоянную Авогадро , определяющую число молекул в одном моле, т.е.
. (2)
После подстановки второго из выражений (2) в соотношение (1) уравнение состояния идеального газа принимает вид
, (3)
где – постоянная Больцмана.
Значения трех часто используемых в молекулярной физике постоянных приведены в табл.1.
Таблица 1
Наименование физической постоянной | Обозна-чение | Приближенное значение | Наиболее точно измеренное (табличное) значение |
Постоянная Больцмана | 1,38×10-23 Дж/К | 1,380662(44)×10-23 Дж/К | |
Постоянная Авогадро | 6,02×1023 моль-1 | 6,022045(31)×1023 моль-1 | |
Универсальная газовая постоянная | 8,31 Дж/(моль×К) | 8,31441 Дж/(моль×К) |
Из уравнения (1) легко выводятся три опытных газовых закона:
– закон Бойля (1662 г.) - Мариотта (1676 г):
const при и ; (4)
– закон Шарля (1787 г.):
const при и ; (5)
– закон Гей-Люссака (1802 г.):
|
|
const при и const. (6)
Из уравнения (3) непосредственно следует закон Авогадро (1811 г.): в равных объемах газов при одинаковых давлении и температуре содержится одинаковое число молекул. Из этого уравнения также можно вывести закон Дальтона (1801 г.). Действительно, в случае смеси химически невзаимодействующих газов величина , входящая в уравнение (3), определяет полное число молекул, т.е. сумму чисел молекул разных сортов:
, (7)
где – | число молекул -го сорта; |
– | число компонент смеси. |
Подставив выражение (7) в уравнение (3), получим:
. (8)
С другой стороны, если бы весь объем занимали только молекулы -го сорта, то давление (парциальное давление) удовлетворяло бы соотношению
. (9)
Подставляя левую часть выражения (9) в правую часть уравнения (8), получим после сокращения на :
, (10)
что и является законом Дальтона: давление смеси химически невзаимодействующих идеальных газов равно сумме парциальных давлений.
Уравнение (1) часто называют уравнением Клапейрона–Менделеева. Обоснованием этому послужили следующие обстоятельства. Сначала Б.П.Э.Клапейрон (1834 г.) объединил законы (4)-(6) и записал уравнение состояния идеального газа в виде
, (11)
где коэффициент пропорциональности зависит от массы газа и его молярной массы. Затем Д.И.Менделеев (1874 г.) объединил закон Авогадро с уравнением Клапейрона, ввел в него универсальную газовую постоянную и записал уравнение состояния в виде соотношения (1).
Физический смысл постоянной . Для того чтобы выяснить физический смысл универсальной газовой постоянной, получим формулу для работы, которую совершает газ при расширении. Пусть газ заключен в цилиндрический сосуд с поршнем, при движении которого изменяется объем газа (рис. 1). Сила воздействия газа на поршень площадью равна , и, следовательно, формулу для работы, совершаемой при бесконечно малом перемещении поршня , можно записать в виде
, (12)
где – изменение объема газа.
Из уравнения (12) следует, что при расширении газа от объема до объема он совершает работу
. (13)
Применим формулу (13) к изобарному () расширению газа и воспользуемся соотношениями (1) и (2). В результате получим:
, (14)
откуда
. (15)
Формула (15) и раскрывает физический смысл постоянной : универсальная газовая постоянная – это величина, численно равная работе, которую совершает один моль идеального газа при его изобарном расширении в результате нагревания на 1 К.