17. Газовые законы. Уравнение Менделеева-Клапейрона.

Экспериментальное исследование свойств газов, проведенное в ХVII-XVIII вв. Бойлем, Мариоттом, Гей-Люссаком, Шарлем, привело к формулировке газовых законов.

1. Изотермический процесс – Т=const.

Закон Бойля-Мариотта: pV=const.

График зависимости p от V приведен на рис.17.1. Чем выше изотерма, тем более высокой температуре она соответствует, T₂>T₁.

2 . Изобарный процесс– p = const.

Закон Гей-Люссака: .

График зависимости V от T приведен на рис. 17.2. Чем ниже к оси температуры наклонена изобара, тем большему давлению она соответствует, р₂ > p₁.

3. Изохорный процесс– V=const.

З акон Шарля: .

График зависимости р от Т изображен на рис 17.3. Чем ниже к оси температуры наклонена изохора, тем большему объему она соответствует, V₂ > V₁.

Комбинируя выражения газовых законов, получим уравнение, связывающее р, V, Т (объединенный газовый закон):

.

Постоянная в этом уравнении определяется экспериментально. Для количества вещества газа 1 моль она оказалась равной R=8,31 Дж/(мольК) и была названа универсальной газовой постоянной.

1 моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Число молекул (структурных единиц) в 1 моле равно числу Авогадро: N_A=6,02.10²³моль^-1. Для R справедливо соотношение: R=k N_A

Итак, для одного моля: .

Для произвольного количества газа  = m/, где  - молярная масса газа. В результате получим уравнение состояния идеального газа, или уравнение Менделеева-Клапейрона .

18. Барометрическая формула.

При рассмотрении основного уравнения молекулярно-кинетической теории газов предполагалось, что на молекулы газа внешние силы не действуют, поэтому молекулы равномерно распределены по объему. Если гав находится в силовом поле, то существуют силы, которые сообщают хаотически движущимся молекулам направленное движение.

Молекулы газа, находящиеся в поле тяготения, участвуют в тепловом движении и испытывают действие силы тяжести. Тяготение и тепловое движение приводят к состоянию газа, при котором наблюдается убыль концентрации и давления газа с возрастанием высоты над землей. Выведем закон изменения давления с высотой, предполагая, что поле тяготения однородно, температура постоянна и масса всех молекул одинакова и равна m₀.

Атмосферное давление на некоторую площадку S обусловлено весом столба воздуха над этой площадкой (т.е. действием силы тяжести). Пусть на высоте h – давление р, а при h=0 – p=p₀. Рассмотрим изменение давления элемента “столба” высотой dh, в пределах которого концентрацию можно считать постоянной. Убыль давления в пределах dh: . Но , или , поэтому: . Произведя разделение переменных: , получим .

Если учесть, что , тогда .

Зависимость давления атмосферы от высоты над уровнем моря при постоянной температуре называют барометрической формулой.

Пользуясь барометрической формулой , можно получить закон изменения концентрации с высотой. Приняв во внимание и , где n и n₀ – концентрация молекул на высоте h и h₀=0 и подставляя р и р₀ в барометрическую формулу, получим закон распределения концентраций по высоте: .

Полученное распределение Больцмана справедливо для поля тяготения, для которого – потенциальная энергия на высоте h (на разной высоте молекула обладает различным запасом потенциальной энергии). Однако оно справедливо и для идеального газа, находящегося в любом другом потенциальном поле:

распределение Больцмана в поле с потенциальной энергией U .

При Т , nn₀, то есть происходит выравнивание концентрации газа по всему объему, занимаемому газом. При Т 0, n 0, то есть все молекулы опустятся на поверхность Земли (если речь идет об атмосфере).