Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

zadachi_с решениями

.pdf
Скачиваний:
6090
Добавлен:
26.02.2016
Размер:
1.55 Mб
Скачать

Основымолекулярнойфизики

итермодинамики

1. Основные понятия и положения молекулярно-кинетической теории

1.1. Определить массу одной молекулы кислорода O2.

Äàíî:

M = 32æ10–3 êã/ìîëü, NA = 6,02æ1023 ìîëü–1.

Найти m0.

Решение.

M

1 - é ñ ï î ñ î á : m0 = NA , ãäå Ì – молярная масса, NA – постоянная Авогадро;

m0

=

32

103

êã/ìîëü

= 5,3æ10–26 êã.

 

 

23

1

 

 

6,02 10

ìîëü

 

2 - é ñ ï î ñ î á :

m0 = 32 à.å.ì. = 1,66æ10–27 êãæ32 = 5,3æ10–26 кг. Ответ: m0 = 5,3æ10–26 êã.

1.2.Выразить массу молекулы воды в килограммах, если известно, что ее относительная молекулярная мас-

са равна 18 а.е.м.

Решение: m0 = 18 à.å.ì. = 1,66æ10–27 êãæ18 =

=3æ10–26 êã.

1.3.Сколько молекул воздуха содержится в комнате объемом 60 м3 при нормальных условиях? Молярная масса воздуха M = 29æ10–3 кг/моль, плотность воздуха ρ 0 = 1,29 êã/ì3.

Äàíî:

M = 29æ10–3 êã/ìîëü, ρ 0 = 1,29 êã/ì3,

V0 = 60 ì3,

NA = 6,02æ1023 ìîëü–1.

Найти

N.

Решение.

Число молекул N = mm , ãäå

0

m — масса воздуха в комнате; m0 — масса одной молекулы.

M

Íî m = ρ 0V0; m0 = NA .

35

Находим число молекул, содержащихся в воздухе комнаты:

 

N =

ρ 0V0NA

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

1,29 êã/ì3 60 ì3

6,02 1023

ìîëü1

N =

 

 

 

= 1,6æ1027.

29 103

êã/ìîëü

 

Ответ: N = 1,6æ1027.

1.4. Масса 14,92ж1025 молекул инертного газа составляет 5 кг. Какой это газ?

Äàíî:

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N = 14,92æ1025,

 

 

 

 

 

 

m

M

m = 5 êã,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Òàê êàê N =

 

, à m0 =

 

 

23

–1

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m0

NA

NA = 6,02æ10 ìîëü .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

òî

N =

mNA

. Отсюда

 

 

M.

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M =

 

mNA

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M =

5 êã

6,02 1023 ìîëü

− 1

 

 

 

 

 

 

 

14,92

25

 

 

= 20,17æ10–3 êã/ìîëü.

 

 

10

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: M = 20,17æ10–3 êã/ìîëü.

1.5. Определить среднюю длину свободного пробега молекул гелия при нормальных условиях, если молекулы, двигаясь со средней скоростью 1380 м/с, испытывают 6,9ж109 столкновений в секунду.

Äàíî:

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

= 1380 ì/ñ,

 

 

Средняя длина свободного пробе-

v

 

 

 

 

 

= 6,9æ109 ñ–1.

 

га молекул

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

λ =

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

λ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

1380 ì / ñ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 2æ10–7

ì = 2æ10–4 ìì.

 

 

 

 

λ

=

 

 

 

 

6,9 10

9

ñ

− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: λ = 2ж10–4 ìì.

36

1.6. Молекулы аргона при нормальных условиях испытывают 6ж109 столкновений в секунду при средней длине свободного пробега 6,35ж10–8 м. Определить среднюю скорость поступательного движения молекул аргона.

Äàíî:

 

 

Решение.

 

 

 

 

= 6æ109 ñ–1,

Из формулы средней длины сво-

z

 

 

 

= 6,35æ10–8 ì.

бодного пробега находим

 

λ

Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= λ

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

v

z

v .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 6,35æ10–8 ìæ6æ109 ñ–1 = 381 ì/ñ.

 

 

 

 

v

Ответ: v = 381 ì/ñ.

1.7. Определить концентрацию молекул кислорода, если они при средней скорости 400 м/с испытывают в среднем 8ж109 столкновений в секунду. Эффективный диаметр молекулы кислорода 3ж10–10 ì.

Äàíî:

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

= 400 ì/ñ,

Концентрация молекул газа

v

 

 

 

= 8æ109 ñ–1,

 

 

 

 

 

 

z

 

 

z

 

 

dýô = 3æ10–10 ì.

 

n =

;

 

 

 

 

 

 

 

 

2

π

d2

v

 

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

 

ýô

 

 

 

 

 

 

 

 

n.

 

n =

8 109

ñ− 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

1,41 3,14 9 10− 20

ì2 400 ì / ñ

= 5æ1025 ì–3.

Ответ: n = 5æ1025 ì–3.

2. Основное уравнение молекулярнокинетической теории идеального газа

2.1. Определить среднюю кинетическую энергию поступательного движения одной молекулы воздуха при нормальных условиях. Концентрация молекул воздуха при нормальных условиях n0 = 2,7æ1025 ì–3.

37

Äàíî:

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T0 = 273 K,

 

 

 

Из основного уравнения молеку-

p0 = 105 Ïà,

 

лярно-кинетической теории газов

n = 2,7æ1025

ì–3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

3 p0

 

Найти

 

 

p0 =

 

n0

Eê выразим: Eê =

;

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n0

 

Eê .

 

 

 

 

 

 

3 105 Í / ì2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eê =

 

= 5,6æ10–21 Äæ.

 

 

 

 

2 2,7 1025 ì− 3

Ответ: Eê = 5,6æ10–21 Äæ.

2.2. На сколько кельвин понизилась температура 10 моль идеального газа при постоянном объеме, если его внутренняя энергия уменьшилась на 623 Дж? Молярная теплоемкость Cm = 12,46 Дж/(мольжK).

Äàíî:

 

 

Решение.

ν = 10 ìîëü,

 

Òàê êàê œU = Cmν œT, òî

Cm = 12,46 Дж/(мольжK),

 

 

 

œU = 623 Äæ.

 

œT =

U

 

 

 

 

 

;

 

 

C

ν

Найти

 

 

 

 

 

 

m

œT.

 

 

 

 

 

 

623 Äæ

 

 

 

 

œT =

 

= 5 K.

12,46 Äæ/ (ìîëü Ê) 10 ìîëü

Ответ: œT = 5 K.

 

 

 

 

 

 

2.3. Определить среднюю квадратичную скорость молекул азота при нормальных условиях, т. е. при p0 = = 105 Па и плотности ρ 0 = 1,25 êã/ì3.

Äàíî:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

= 105 Ïà,

 

 

В основном уравнении молеку-

ρ

00 =1,25 êã/ì3.

 

лярно-кинетической теории газов

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

= ρ 0 è

Найти

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

p0 =

 

m0n0v

заменим m0n0

 

 

 

êâ.

 

 

 

3

 

 

v

 

 

 

выразим

 

êâ:

 

êâ =

3p0

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ρ 0

 

 

 

 

 

 

êâ =

3 105 Í / ì2

 

= 490 ì/ñ.

 

 

 

 

 

v

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,25 êã / ì

 

 

 

 

 

 

 

Ответ: vêâ = 490 ì/ñ.

38

2.4. Определить изменение внутренней энергии 5 моль одноатомного идеального газа при повышении его температуры на 50 K и при неизменном объеме. Молярная теплоемкость Cm = 12,46 Дж/(мольжK).

Äàíî:

Решение.

ν = 5 ìîëü,

Изменение внутрен-

Cm = 12,46 Дж/(мольжK),

 

ней энергии идеального

V = const,

ãàçà

œT = 50 K.

 

 

 

 

œU = Cmν œT;

Найти

 

œU.

 

 

 

 

œU = 12,46 Дж/(мольжK)ж5 мольж50 K = 3115 Дж.

Ответ: œU = 3115 Äæ.

2.5. Определить внутреннюю энергию всех молекул воздуха в аудитории, объем которой 168 м3, при нормальных условиях.

Äàíî:

 

Решение.

p = 105

Ïà,

 

Внутренняя энергия молекул газа

0

 

 

 

 

 

V0 = 168 ì3.

 

U =

3

p0V0;

Найти

 

 

 

 

U.

 

2

 

 

U = 1,5æ105 Í/ì2æ168 ì3 =

 

 

 

 

 

= 25,2æ106 Äæ = 25,2 ÌÄæ.

Ответ: U = 25,2 ÌÄæ.

3. Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы и их графики

3.1. Определить температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекул равна 7,87ж10–21 Äæ.

39

Äàíî:

Eê = 7,87æ10–21 Äæ, k = 1,38æ10–23 Äæ/Ê.

Найти

T.

Решение.

Òàê êàê Eê = 32 kT, ãäå

k — постоянная Больцмана, то отсюда находим

 

 

 

 

 

 

2 7,87 10− 21 Äæ

 

T =

2Eê

;

T =

= 380 K.

3 1,38 10− 23 Äæ / K

3k

Ответ: T = 380 K.

3.2. Под каким давлением находится кислород в баллоне, если при температуре 27 °C его плотность 6,24 кг/м3?

Äàíî:

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

M = 32æ10–3 êã/ìîëü,

 

 

Преобразуем

уравнение

T = 300 K,

 

 

Клапейрона – Менделеева к

ρ = 6,24 êã/ì3,

 

 

âèäó

 

 

 

 

 

R = 8,31 Дж/(мольжK).

 

 

 

 

p =

m

RT,

Найти

 

 

 

 

 

 

VM

p.

 

 

íî

m

= ρ ; следовательно,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V

 

 

6,24êã / ì3

8,31 Äæ / (ìîëü K) 300 K

p =

ρ RT

; p =

 

 

 

 

 

=

 

 

 

32 10-3 êã / ìîëü

 

M

= 4,86æ105 Í/ì2 = 4,9æ105 Ïà.

Ответ: p = 4,9æ105 Ïà.

3.3. При какой температуре средняя квадратичная скорость молекул углекислого газа CO2 равна 400 м/с?

Äàíî:

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 400 ì/ñ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

v

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M = 44æ10–3 êã/ìîëü,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m 0v2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R = 8,31 Дж/(мольжK).

 

 

 

Òàê

êàê Eê =

 

è

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

Найти

 

 

 

=

3 kT, òî m

 

 

2 = 3kT. Íî

E

 

 

T.

v

ê

 

2

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

m0

=

 

 

, тогда

 

Mv

= 3kT,

 

 

 

 

NA

 

 

 

NA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

Mv

откуда T =

 

=

Mv

, ãäå kNA = R. Находим

3kNA

 

 

 

3R

 

T =

44 10− 3

êã / ìîëü 16 104 ì2 / ñ2

= 282,4 K.

 

3

 

8,31 Äæ(ìîëü K)

 

 

 

 

Ответ: T = 282,4 K.

3.4. Какой объем занимает 1 кг кислорода при температуре 273 K и давлении 8ж105 Па? Молярная масса кислорода M = 32æ10–3 êã/ìîëü.

Äàíî:

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

m = 1 êã,

 

 

 

 

 

Из уравнения Клапейрона

T1 = 273 K,

 

 

– Менделеева выразим V1:

p = 8æ105

Ïà,

 

 

 

 

 

 

mRT1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

M = 32æ10–3 êã/ìîëü,

 

 

 

V =

 

 

 

p1M

R = 8,31 Дж/(мольжK).

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

Вычисляя, находим

 

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V1 =

1 êã 8,31 Äæ / (ìîëü Ê) 273 K

= 0,087 ì3.

8

5

2

10

− 3

êã / ìîëü

 

10

Í / ì 32

 

 

 

 

Ответ: V1 = 0,087 ì3.

3.5. При изохорном нагревании идеального газа, взятого при температуре 320 K, его давление увеличилось от 1,4ж105 äî 2,1æ105 Па. Как изменилась температура газа?

Äàíî:

 

 

 

 

Решение.

T1 = 320 K,

 

Так как процесс изохорный, то

p = 1,4æ105

Ïà,

 

 

 

 

 

1

5

Ïà,

 

p1 : p2 = T1 : (T1 + œT);

 

 

p2 = 2,1æ10

отсюда

 

 

 

T2 = T1 + œT.

 

 

 

Найти

 

 

 

 

œT =

T1 p2

T1;

œT.

 

 

 

 

p1

320 K 2.1 105

Ïà

 

 

œT =

– 320 K = 160 K.

 

1,4 105 Ïà

 

Ответ: œT = 160 K.

41

3.6. Определить начальную и конечную температуры идеального газа, если при изобарном охлаждении на 290 K его объем уменьшился вдвое. Начертить график изопроцесса в координатных осях T, V.

Äàíî:

 

 

 

 

Решение.

 

p = const,

 

Так как процесс изобарный, то

V2 = 0,5V1,

V1

: V2 = T1

: T2 èëè

 

 

T2 = T1 – 290.

 

 

 

 

V1

 

T1

 

T1

 

Найти:

 

 

 

 

 

0,5V1

=

T1 − 290 ; T1 − 290 = 2;

T1; T2.

 

 

 

 

 

T1

= 580 K; T2

= 290 K.

На рис. 6 изображен график изобарного процесса в координатных осях T, V.

Ðèñ. 6

Ответ: T1 = 580 K; T2 = 290 K.

3.7. При изохорном охлаждении идеального газа, взятого при температуре 480 K, его давление уменьшилось в 1,5 раза. Какой стала конечная температура газа?

Äàíî:

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

T1 = 480 K,

Так как процесс изохор-

p2 =

p1

èëè p1 = 1,5p2.

íûé, òî

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,5

 

p1 : p2 = T1 : T2;

 

 

Найти

 

 

 

T1p2

 

T1p2

 

T1

 

T2.

T2 =

 

=

=

;

 

 

 

1,5

 

 

 

 

 

p1

1,5 p2

 

T = 480 K : 1,5 = 320 K.

Ответ: T2 = 320 K.

42

4. Первое начало термодинамики

èприменение его к изопроцессам

4.1.Как изменится внутренняя энергия 240 г кислорода O2 при охлаждении его на 100 K?

Äàíî:

m = 0,24 êã, œT = 100 K,

M = 32æ10–3 êã/ìîëü, R = 8,31 Дж/(мольжK).

Найти:

œU.

Решение.

Изменение внутренней энергии газа массой m при его охлаждении на œT равно

œU = 52 Mm RœT;

5

0,24 êã 8,31Äæ/ (ìîëü K) 100 K

 

œU =

2 32 10− 3 êã / ìîëü

= 15,58 êÄæ.

Ответ: Уменьшится на 15,58 кДж.

4.2. Один килограмм углекислого газа CO2 изобарно нагрет от 268 до 400 K. Определить работу, совершенную над газом при увеличении его объема, и изменение внутренней энергии этого газа.

Äàíî:

m = 1 êã, T1 = 268 K, T2 = 400 K,

M = 44æ10–3 êã/ìîëü, R = 8,31 Дж/(мольжK).

Найти

A; œU.

Решение.

Так как процесс изобар-

íûé, òî A = pœU = Mm RœT. Изменение внутренней

энергии газа

œU = 3 Mm RœT = 3A;

A =

1 êã 8,31 Äæ / (ìîëü K) 132 K

= 24,93 êÄæ;

44 10− 3 êã / ìîëü

œU = 3A = 74,79 êÄæ.

Ответ: A = 24,93 êÄæ; œU = 74,79 êÄæ.

43

4.3. Определить начальную температуру 0,56 кг азота N2, если при изобарном нагревании до 370 K совершена работа 16,62 кДж на увеличение его объема.

Äàíî:

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m = 0,56 êã,

 

 

 

Работа газа при изобарном

T2 = 370 K,

3

Äæ,

 

процессе

A =

 

m

RœT, отсюда

 

 

 

M

A = 16,62æ10

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M = 28æ10–3 êã/ìîëü,

 

œT =

AM

. Следовательно,

 

R = 8,31 Дж/(мольжK).

 

 

 

 

 

 

 

 

mR

 

 

 

 

 

 

 

 

Найти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1.

 

 

 

T1 = T2 – œT; T1

= T2

AM

;

 

 

 

mR

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T = 370 K –

16,62 103

Äæ 28 10− 3

êã / ìîëü

= 270 K.

 

 

0,56 êã

8,31 Äæ / (ìîëü

K)

 

 

1

 

 

 

 

 

Ответ: T1 = 270 K.

4.4. Газ изобарно увеличился в объеме в три раза при давлении 3ж105 Па. Определить первоначальный объем газа, если на увеличение его объема потребовалось совершить работу 12,9 кДж.

Äàíî:

 

Решение.

V2 = 3V1,

 

Работа расширения газа

p = 3æ105 Ïà,

при изобарном процессе

A = 12,9æ103 Äæ.

A = pœV = p(V2 V1) = 2pV1;

Найти

 

отсюда находим

V1.

 

 

V1 =

A

;

 

 

 

 

 

 

 

2 p

V1 =

12,9 103

Äæ

= 2,15æ10–2 ì3.

2 3 105 Í / ì2

Ответ: V1 = 2,15æ10–2 ì3.

4.5. При изохорном процессе газу сообщено 4ж1010 Дж теплоты. Рассчитать изменение внутренней энергии и работу по расширению газа.

44

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]