Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
General Physics part 1 / PhysPraktikum / Woan G. The Cambridge Handbook of Physics Formulas (CUP, 2000)(ISBN 0521573491)(230s)_PRef_.pdf
Скачиваний:
26
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
1.65 Mб
Скачать

110

Thermodynamics

 

 

5.3 Gas laws

Ideal gas

Joule’s law

U = U(T )

(5.55)

 

 

 

 

 

 

 

Boyle’s law

pV |T = constant

(5.56)

 

 

 

 

 

 

 

Equation of state

pV = nRT

(5.57)

(Ideal gas law)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pV γ = constant

(5.58)

Adiabatic

T V (γ−1) = constant

(5.59)

T γp(1−γ) = constant

 

equations

(5.60)

 

1

(p2V2 p1V1)

 

 

W =

 

 

(5.61)

 

γ − 1

Internal energy

nRT

(5.62)

U =

 

 

γ − 1

Reversible

 

 

 

 

 

 

isothermal

Q = nRT ln(V2/V1)

(5.63)

expansion

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Joule expansiona

S = nR ln(V2/V1)

(5.64)

 

 

 

 

 

 

 

Uinternal energy

Ttemperature

ppressure

Vvolume

nnumber of moles

Rmolar gas constant

γratio of heat capacities (Cp/CV )

W work done on system

Q heat supplied to system

1,2 initial and final states

S change in entropy of the system

aSince ∆Q = 0 for a Joule expansion, ∆S is due entirely to irreversibility. Because entropy is a function of state it has the same value as for the reversible isothermal expansion, where ∆S = ∆Q/T .

Virial expansion

 

 

 

 

 

B2(T )

 

 

p

pressure

 

pV = RT

1 +

 

 

V

volume

 

 

 

 

Virial expansion

 

 

 

 

V

(5.65)

R

molar gas constant

 

 

 

 

B3(T )

 

T

temperature

 

 

 

+

 

 

+ · · ·

 

 

 

 

V 2

 

Bi

virial coe cients

Boyle

B2

(TB) = 0

 

 

 

 

 

(5.66)

TB

Boyle temperature

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.3 Gas laws

111

 

 

Van der Waals gas

 

 

 

 

 

 

 

p

pressure

 

 

 

a

 

Vm

molar volume

Equation of state

 

 

 

R

molar gas constant

 

 

 

 

 

 

p+ Vm2 (Vm b) = RT

(5.67)

 

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

a,b

van der Waals’ constants

 

 

 

 

 

 

 

 

Tc = 8a/(27Rb)

(5.68)

Tc

critical temperature

 

pc = a/(27b2)

 

Critical point

(5.69)

pc

critical pressure

 

Vmc = 3b

(5.70)

Vmc

critical molar volume

 

 

 

 

 

 

 

pr

= p/pc

Reduced equation

3

 

 

 

 

 

(5.71)

Tr

= T /Tc

of state

pr + Vr2 (3Vr − 1) = 8Tr

 

 

 

 

 

 

 

Vr

= Vm/Vmc

Dieterici gas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RT

 

 

 

a

 

 

 

Vm

molar volume

 

Equation of state

p =

 

exp

 

 

 

(5.72)

R

molar gas constant

 

Vm b

 

 

 

 

 

 

 

RT Vm

 

 

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a ,b Dieterici’s constants

 

 

Tc = a /(4Rb )

 

 

 

 

 

(5.73)

Tc

critical temperature

 

Critical point

pc = a /(4b 2e2)

 

 

 

 

 

(5.74)

pc

critical pressure

 

 

Vmc = 2b

 

 

 

 

 

 

 

(5.75)

Vmc

critical molar volume

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

= 2.71828...

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Reduced equation

 

 

Tr

 

 

 

2

 

 

pr

= p/pc

 

pr =

 

 

 

(5.76)

Tr

= T /Tc

 

of state

2Vr − 1 exp 2

VrTr

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Vr

= Vm/Vmc

 

 

 

Van der Waals gas

 

 

2

 

1.4

 

 

 

 

 

 

1.1

Tr = 1.2

 

 

 

1.8

 

 

 

 

 

 

1.2

1.0

 

 

 

 

1.6

 

1

 

 

 

 

1.4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2

 

0.8

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

r

1

p

 

0.9

 

 

 

p

 

0.6

 

 

 

 

0.8

 

 

 

 

 

 

 

0.4

 

 

 

 

 

0.6

 

 

 

 

 

 

0.4

 

0.2

0.8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0.2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1

2

 

4

5

0

 

0

3

 

 

 

 

Vr

 

 

 

 

Dieterici gas

 

 

Tr = 1.2

 

 

 

 

1.1

 

 

 

 

 

1.0

 

 

 

 

 

0.9

 

 

 

 

 

0.8

 

 

 

 

0

1

2

3

4

5

 

 

Vr

 

 

 

112 Thermodynamics

5.4 Kinetic theory Monatomic gas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

pressure

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

number density = N/V

 

Pressure

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p = 3 nm c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.77)

m

2

particle mass

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

mean squared particle

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

velocity

 

 

 

Equation of

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

volume

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

Boltzmann constant

 

state of an ideal

pV = NkT

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.78)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

number of particles

 

gas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Internal energy

3

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

U

 

internal energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U = 2 NkT

= 2 m c

 

 

 

 

 

(5.79)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.80)

 

 

 

 

 

 

 

CV =

 

 

Nk

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CV

heat capacity, constant V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Heat capacities

Cp = CV + Nk =

Nk

 

 

 

 

(5.81)

Cp

heat capacity, constant p

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

Cp

 

 

5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

γ

 

ratio of heat capacities

 

 

γ =

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.82)

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CV

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Entropy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

entropy

 

 

 

(Sackur–

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mkT

 

 

3/2

 

V

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5/2

 

¯h

 

= (Planck constant)/(2π)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tetrode a

S = Nkln 2π¯h2

 

 

 

 

e

N

(5.83)

 

 

 

 

 

e

 

= 2.71828...

 

 

 

equation)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

For the uncondensed gas. The factor

 

mkT

!

3/2

is the quantum concentration of the particles, n

 

. Their thermal de

 

 

 

 

Q

 

 

2π¯h2

 

 

 

 

 

 

 

 

1/3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Broglie wavelength, λT , approximately equals nQ

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Maxwell–Boltzmann distributiona

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pr

probability density

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3/2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

m

particle mass

Particle speed

pr(c) dc =

 

 

m

 

 

exp

 

 

mc

 

4πc2 dc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

distribution

 

 

 

 

 

 

2πkT

!

 

 

 

 

 

2kT

 

 

k

Boltzmann constant

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.84)

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c

 

particle speed

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Particle energy

pr(E) dE =

 

 

2E1/2

 

exp

 

 

E

 

dE (5.85)

E

particle

kinetic

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

distribution

π1/2(kT )3/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kT

 

 

 

energy (= mc /2)

 

c =

 

kT

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Mean speed

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.86)

c

mean speed

 

πm

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

crms =

kT

 

1/2

=

 

π

 

1/2

 

 

 

 

c

rms

root mean squared

rms speed

3

 

 

 

 

3

 

 

 

c

 

(5.87)

 

speed

 

 

m

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

Most probable

cˆ =

kT

1/2

 

 

π

1/2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

speed

2

 

 

 

 

=

 

 

!

 

 

c

 

 

 

 

 

(5.88)

cˆ

 

most probable speed

m

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

aProbability density functions normalised so that %0pr(x) dx = 1.

5.4 Kinetic theory

113

 

 

Transport properties

Mean free patha

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l =

 

πd2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.89)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Survival

pr(x) = exp(−x/l)

 

 

 

 

 

 

 

(5.90)

equationb

 

 

 

 

 

 

 

Flux through a

J =

1

n c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.91)

planec

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Self-di usion

J = −D n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.92)

(Fick’s law of

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

where D

l c

 

 

 

 

 

 

 

 

di usion)d

 

 

 

 

 

 

 

(5.93)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

H = −λ T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.94)

Thermal

2

 

 

 

 

 

 

 

1 ∂T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

conductivityd

 

 

T =

D

 

∂t

 

 

 

 

 

 

5

 

 

 

(5.95)

 

for monatomic gas

λ

ρl c cV

(5.96)

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Viscosityd

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

η 2 ρl c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.97)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Brownian

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

kT t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

motion (of a

x

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.98)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 3πηa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sphere)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Free molecular

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

1/2

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

4R

 

 

 

 

πm

 

 

p1

 

p2

 

flow (Knudsen

 

d

 

=

p

 

2

 

dt

 

3L

k

T 1/2

T 1/2

flow)e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

(5.99)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lmean free path

dmolecular diameter

nparticle number density

pr probability

xlinear distance

Jmolecular flux

c mean molecular speed

Ddi usion coe cient

Hheat flux per unit area

λthermal conductivity

Ttemperature

ρdensity

cV

specific heat capacity, V

5

 

constant

η

dynamic viscosity

 

xdisplacement of sphere in x direction after time t

kBoltzmann constant

ttime interval

asphere radius

dM mass flow rate dt

Rp pipe radius

Lpipe length

mparticle mass

ppressure

aFor a perfect gas of hard, spherical particles with a Maxwell–Boltzmann speed distribution. bProbability of travelling distance x without a collision.

cFrom the side where the number density is n, assuming an isotropic velocity distribution. Also known as “collision number.”

dSimplistic kinetic theory yields numerical coe cients of 1/3 for D, λ and η.

eThrough a pipe from end 1 to end 2, assuming Rp l (i.e., at very low pressure).

Gas equipartition

Classical

a

Eq = 1 kT

 

 

 

 

 

 

(5.100)

Eq

energy per quadratic degree of

 

 

 

 

 

 

 

freedom

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

equipartition

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

Boltzmann constant

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CV

heat capacity, V constant

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

1

 

 

 

 

CV =

fNk =

 

fnR

(5.101)

Cp

heat capacity, p constant

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

Ideal gas heat

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

N

number of molecules

C

 

= Nk 1 +

 

(5.102)

f

number of degrees of freedom

 

 

 

 

 

 

 

capacities

 

 

p

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

n

number of moles

 

 

 

 

 

Cp

 

2

 

 

 

(5.103)

R

molar gas constant

 

 

γ =

 

 

 

 

= 1 +

 

 

 

 

 

 

 

 

CV

f

 

 

 

γ

ratio of heat capacities

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

aSystem in thermal equilibrium at temperature T .