Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ФИЗИКА.Термодинамика.pdf
Скачиваний:
88
Добавлен:
08.04.2015
Размер:
560.34 Кб
Скачать

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= 22,4 103 м3 / моль.

Это позволяет при

помощи

формулы

(1.6)

найти константу B для одного моля газа, которая обозначается R: