
- •© ННГАСУ, 2003
- •1. Основы термодинамического и молекулярно-кинетического методов исследования
- •1.1. Исходные положения термодинамики и молекулярной физики
- •1.2. Масса и размеры молекул
- •1.3. Основные понятия термодинамики
- •Рис. 1.2. График равновесного цикла
- •1.4. Разреженный газ как термодинамическая система
- •1.4.1. Экспериментальные газовые законы
- •Рис. 1.4. График изобарического процесса в координатах {V,T}. Сплошная линия – процесс при давлении р1, пунктир соответствует процессу при давлении р2.
- •Рис. 1.5. График изохорического процесса в координатах {p,Т}. Сплошная линия – процесс при объеме V1, пунктир соответствует процессу при объеме V2.
- •Тренировочное задание
- •1.4.2. Уравнение состояния идеального газа
- •Ответы на вопросы тренировочного задания, сформулированные на стр. 11
- •От уравнения (1.7), записанного для одного моля газа
- •1.4.3. Примеры решения задач на уравнение состояния газа
- •Задача 1
- •Задача 2
- •Дано:
- •Дано:
- •1.5. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
- •Давление молекул на стенку сосуда. Давление согласно определению равно силе, с которой газ воздействует на площадку единичной площади, перпендикулярно площадке:
- •Величина суммарной силы воздействия молекул на площадку по III закону Ньютона равна суммарной силе, действующей на систему молекул со стороны площадки. Следовательно, сила может быть найдена по II закону Ньютона для системы материальных точек:
- •1.6. Замечание о средней квадратичной скорости. Распределение Максвелла молекул по скоростям
- •1.7. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы. Внутренняя энергия идеального газа
- •1.8. Примеры решения задач
- •Задача 1
- •Задача 2
- •2. Термодинамический подход
- •2.1. Первое начало термодинамики
- •2.1.1. Работа, производимая термодинамической системой
- •Рис. 2.1. Схема вычисления работы при расширении газа
- •Рис. 2.2. Работа системы при ходе процесса
- •2.1.2. Количество теплоты и теплоемкость
- •2.1.3. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам в идеальном газе
- •Для равновесных процессов, протекающих в газах, элементарная работа, производимая газом против внешних сил, состоит в работе расширения (2.1), поэтому первое начало термодинамики может быть записано в виде:
- •2.2. Адиабатический процесс
- •2.3. Второе начало термодинамики
- •2.3.1. Термодинамические циклы. Цикл Карно
- •2.3.2. Понятие об энтропии
- •3. Реальные газы. Фазовый переход жидкость - газ
- •3.1. Реальные газы. Уравнение Ван-Дер-Ваальса
- •3.2. Изотермы Эндрюса
- •3.3. Исследование уравнения Ван-Дер-Ваальса
- •3.4. Переход жидкости в пар
- •3.5. Примеры решения задач
- •Дано:
- •4. Зачетная контрольная работа № 2
- •4.1. Варианты домашних зачетных заданий
- •4.2. Приложение. Задачи, включенные в варианты зачетной контрольной работы № 2
- •Литература

12
1.4.2.Уравнение состояния идеального газа
Врассмотренных ранее изопроцессах, описываемых законами Бойля - Мариотта, Гей-Люссака и Шарля, один из параметров (p,V,T) газа оставался постоянным. Однако чаще всего имеют место процессы, при которых изменяются все три параметра.
Поскольку изопроцессы выражаются равенствами:
pV=const, если T=const; VT = const , если p=const;
Tp = const , если V=const,
нетрудно догадаться, что в общем виде должно быть:
pV |
= const . |
(1.2) |
|
T |
|||
|
|
Действительно, эта формула в частных случаях описывает все три изопроцесса (например, если T=const, то pV=const). К этому же соотношению можно прийти без использования интуиции - путем анализа газовых процессов. Приведем эти рассуждения в качестве примера термодинамического метода исследования систем.
Ответы на вопросы тренировочного задания, сформулированные на стр. 11
1)Т2>Т1. Если провести вертикальную прямую, соответствующую некоторому объему V*, она пересечет нижний график в точке a и верхний - в точке b. Поскольку давление в точке b больше, чем в точке a, значит, согласно закону Шарля состояние, соответствующее точке b, отвечает большей температуре.
2)р2 < р1. Точки a и b обоих графиков на рис. 1.4, отвечающие одной и той же температуре, имеют разный объем. Согласно закону Бойля - Мариотта больший объем соответствует меньшему давлению. В точке b объем больше, а, значит, давление меньше.
3)V2<V1. В точках a и b на рис. 1.5 температура одинакова, а давление разное. Используя закон Бойля - Мариотта, делаем вывод, что поскольку давление в точке b больше, чем в точке a, объем в точке a будет больше, чем в точке b.
Пусть в результате какого-то процесса изменились все три параметра (были p1, V1, T1, стали p2, V2, T2). Найдем связь между старыми и новыми параметрами газа.
Будем считать, что переход от первого состояния ко второму произошел в два этапа:
-сначала без изменения температуры T1 давление достигло значения p2 (объем тоже изменился и принял значение V');
-далее прошел изобарический процесс, в результате которого температура
иобъем достигли значений T2, V2.
13
Для нахождения объема V' можно воспользоваться законом Бойля - Мариотта:
р1V1=p2V′=const, т.е. V′=V1 |
p1 |
. |
(1.3) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
p2 |
|
|
На втором этапе справедлив закон Гей - Люссака, следовательно, можно |
|||||||||||||
записать: |
= V2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
T1 . |
|
||
V ' |
= const , т.е. V '=V2 |
(1.4) |
|||||||||||
T |
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
||
1 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
Так как левые части формул (1.3) и (1.4) равны, то должны быть равны и |
|||||||||||||
правые: |
|
|
|
p1 |
|
=V2 T1 , |
|
|
|
|
|||
|
|
V1 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
p |
2 |
|
|
T |
|
|
|
|
|
что можно записать в виде: |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
||
|
|
p1V1 |
|
p2V2 |
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
= |
. |
|
|
|
(1.5) |
|||||
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
T |
|
|
|
|
||
|
|
1 |
|
2 |
|
|
|
|
|
Таким образом, при любом процессе в разреженном газе начальные и конечные параметрами связаны равенством (1.5), а поскольку конечное состояние выбрано произвольно, можно заключить, что при любом состоянии разреженного газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру, для данной массы газа есть величина постоянная:
pV |
= B = const . |
(1.6) |
|
T |
|||
|
|
Значение постоянной B зависит от массы и рода газа. Из формулы (1.6) следует, что
pV=BT.
Это выражение является уравнением состояния идеального газа и часто называется формулой Клайперона - Менделеева.
Замечание к процедуре вывода уравнения состояния При получении окончательного выражения мы рассмотрели конкретный
термодинамический процесс, состоящий из двух изопроцессов. Результат не изменится, если рассмотреть любой другой путь, состоящий из двух изопроцессов (p1 → p2 при V=const + V1 → V2 при p=const, или T1 → T2 при V=const +V1 → V2 при T=const и т. п.). Рекомендуем вам в качестве полезного упражнения доказать, что результат не зависит от пути, который рассматривается.
Универсальная газовая постоянная. В соответствии с законом,
установленным Авогадро, моли всех газов занимают при одинаковых условиях (т.е. при одинаковых температуре и давлении) одинаковый объем - Vµ . В
частности, при так называемых нормальных условиях (н.у.), т.е. при температуре
00 C и давлении 1атм |
(1,01 105 Па), объем |
моля |
любого |
газа |
Vµ =22,4л/моль= 22,4 10−3 м3 / моль. |
Это позволяет при |
помощи |
формулы |
(1.6) |
найти константу B для одного моля газа, которая обозначается R: