- •Механика, молекулярная физика и термодинамика Учебное пособие Омск 2003
- •Предисловие
- •Содержание теоретического курса Введение
- •Реальные газы
- •I. Механика и элементы специальной теории относительности
- •1. Кинематика поступательного и вращательного движения материальной точки
- •2. Динамика поступательного и вращательного движения
- •Законы Ньютона Первый закон Ньютона: Всякое тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не выведет его из этого состояния.
- •Третий закон Ньютона: Силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению:
- •3. Работа и механическая энергия
- •4. Законы сохранения в механике
- •; .
- •5. Элементы специальной теории относительности
- •Примеры решения задач
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольное задание №1
- •II. Основы молекулярной физики и термодинамики
- •1. Молекуляро - кинетическая теория идеальных газов
- •Основы термодинамики
- •Примеры решения задач
- •Для расчета средней квадратичной скорости выражение (1) удобно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на na:
- •6,510-8 М.
- •1,210-5 .
- •На основании первого начала термодинамики
- •Так как координаты точек в и с удовлетворяют адиабате вс, то
- •Задачи для самостоятельного решения
- •Контрольное задание № 2
- •Библиографический список
- •Предисловие 3
Примеры решения задач
Задача 1 Смесь азота и гелия при температуре 27 0С находится под давлением р=1,3102 Па. Масса азота составляет 70 % от общей массы смеси. Найти концентрацию молекул каждого из газов.
Дано: Решение
T = 300 К p = 1,3102Па M1 = 0,7 M |
При данном давлении газ можно считать идеальным. Согласно основному уравнению молекулярно-кинетической теории: р=nkT, откуда n=p/kT. С одной стороны, масса каждого из газов: M1=c1M, (1) |
n1 - ? n2 - ? |
M2=c2M,
где M - масса смеси; с1 и с2 – процентное содержание азота и гелия.
С другой стороны, масса каждого из газов
(2)
где V – объем газа; - молярная масса газа; i/NА – масса молекулы.
Приравнивая правые части уравнений (1) и (2), получим:
c1M=; c2M=,
откуда n1/n2==1/3. Так как n1+n2=n,
то n1==0,81022 м-3, n2==2,41022 м-3.
Ответ: n1==0,81022 м-3, n2==2,41022 м-3.
Задача 2 Найти среднюю квадратичную скорость, среднюю кинетическую энергию поступательного движения и среднюю полную кинетическую энергию молекул азота и гелия при температуре 27 0С. Определить полную энергию всех молекул 100 г каждого из газов.
Дано: Решение
T = 300 К M1 = 0,1 кг Не = 410-3 кг/моль N2 = 2810-3 кг/моль |
Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа определяется как <Е>=kT. <E>=6,210-21 Дж, причем средние энергии поступательного движения одной молекулы азота и гелия одинаковы. |
<кв> - ? E - ? W - ? |
Средняя квадратичная скорость молекул газа зависит от массы его молекул:
<кв>=. (1)
Для расчета средней квадратичной скорости выражение (1) удобно преобразовать, умножив числитель и знаменатель на na:
<кв>=;
<кв>=13,7102 м/с – для гелия; <кв>=5,17102 м/с – для азота.
Средняя полная энергия молекулы зависит от числа степеней свободы молекулы:
<E0>=.
Полная кинетическая энергия всех молекул, равная для идеального газа его внутренней энергии, может быть найдена как произведение Е0 на число всех молекул:
Е=U=Е0N; N=.
Гелий – одноатомный газ i=3, тогда <E0>=6,210-21 Дж.
Азот – двухатомный газ i=5, тогда <E0>=10,410-21 Дж.
Полная энергия всех молекул
Е=.
Для гелия W=93,5103 Дж; для азота W=22,3103 Дж.
Ответ: для гелия W=93,5103 Дж; для азота W=22,3103 Дж.
Задача 3 Рассчитать среднюю длину свободного пробега молекул азота, коэффициент диффузии и вязкость при давлении р=105 Па и температуре 17 0С. Как изменятся найденные величины в результате двукратного увеличения объема газа: 1) при постоянном давлении; 2) при постоянной температуре? Эффективный диаметр молекул азота d=3,710-8см.
Дано: Решение
p = 105 Па T = 300К V2 = 2V1
d = 3,710-10 м |
Средняя длина свободного пробега и коэффициенты переноса могут быть рассчитаны по следующим формулам: ; (1) ; (2) , (3) |
- ? D - ? - ? |
где n – концентрация молекул газа; <> - средняя скорость молекулы; m0 – масса одной молекулы.
Концентрацию молекул можно определить из уравнения p = nkT:
n=p/kT подставим в уравнение (1):