Тема. Идеальный газ. Давление газа. Понятие вакуума. Основное уравнение идеального газа. Абсолютная температура.

1. Идеальный газ. Параметры состояния идеального газа.

В молекулярной физике и термодинамике рассматриваются системы, состоящие из большого числа частиц, т.е. макроскопические системы. Для одной частицы в отдельности нельзя указать ее координату и направление движения, определить температуру и давление. Измеримы только параметры состояния совокупности молекул, т.е. макроскопические характеристики.

При изучении свойств реальных газов пользуются упрощенной моделью – идеальным газом.

Идеальным газом называют такой газ, для которого можно пренебречь размерами молекул, силами молекулярного взаимодействия; соударения молекул в таком газе происходят по закону соударения упругих шаров. В энергетическом отношении молекулы идеального газа обладают кинетической энергией и почти не обладают потенциальной.

Реальные газы ведут себя подобно идеальному газу при достаточно больших разряжениях.

Состояние некоторой массы газообразного вещества характеризуют зависимость друг от друга физическими величинами, называемыми параметрами состояния. К ним относятся объем V, давление р и температура Т.

Единица объема в СИ – 1 м³ [V]= 1 м³.

2. Давление газа. Манометры.

Как возникает давление газа?

Молекулы газа, ударяясь о поверхность тела, например о стенку сосуда, или преграду, в течение малого промежутка времени действует на нее с определенной силой. В результате беспорядочных ударов о стенку или преграду сила, действующая со стороны всех молекул на единицу площади, определяет давление газа.

Давление газа – физическая величина, равная отношению силы F, действующей на элемент поверхности нормально к ней, к площади S этого элемента.

Единица давления в СИ – паскаль. 1 Н/м² = 1 Па.

Внесистемные единицы: техническая атмосфера 1ат = 9,81*10⁴ Па;

Физическая атмосфера 1атм = 1,013*10⁵ Па;

1 мм.рт.ст.=133Па; 1атм=760 мм.рт.ст.=1013Па

Приборы, измеряющие давление, называют манометрами.

Познакомьтесь с устройством, принципом действия манометра.

3. Понятие о вакууме. Межзвездный газ.

Состояние газа, при котором средняя длина свободного пробега молекул сравнима с размерами сосуда, в котором заключен газ, называют вакуумом.

«Пустота» межзвездного пространства относительна. Это пространство наполнено не только полями тяготения, электромагнитными, но и мельчайшими пылинками, молекулами и атомами газа – межзвездным газом. Этот газ был обнаружен по линиям поглощения в спектрах звезд. Радиоастрономия позволяет обнаруживать этот невидимый газ по радиоволнам, которые он излучает.

4. Основное уравнение МКТ газов.

Давление газа в сосуде обусловлено ударами молекул о его стенки.

- основное уравнение МКТ газа

Основное уравнение МКТ газа определяет макроскопическую величину – давление газа через концентрацию n молекул, массу m₀ отдельных молекул и среднюю квадратичную скорость υ_кв их движения.

Если через обозначить среднюю кинетическую энергию поступательного движения некой «средней» молекулы, то уравнение можно записать в виде: - уравнение Клаузиуса.

Давление газа равно 2/3 от средней кинетической энергии поступательного движения всех молекул, которые находятся в единичном объеме газа.

5. Температура и ее измерение.

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел называются макроскопическими параметрами (V, р, Т).

Температура характеризует степень нагретости тел. Измеряется термометром. Температура характеризует внутреннее состояние тела.

Тепловым равновесием называют такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными, т.е. в системе не изменяются ни объем, ни давление, ни температура.

Температура характеризует состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и туже температуру.

Школа Цельсия: 0 ⁰С – температура таяния льда.

100 ⁰С – температура кипения воды.

В международной системе единиц принята термодинамическая шкала температур.

За нулевую температуру на этой шкале принята температура, при которой прекращается поступательное (тепловое) движение молекул. Эту температуру называют абсолютным нулем.

За вторую опорную точку на термодинамической шкале принята температура, при которой вода находится одновременно в трех состояниях. Температура «тройной» точки по шкале Цельсия 0,01 ⁰С, по термодинамической шкале приняли равной 276,16К(Кельвин).

Температуру, отчитываемую по термодинамической шкале называют термодинамической температурой или абсолютной.

1⁰С=1⁰К Т=t+273,15К, t=Т-273,15⁰С

6. Молекулярно-кинетический смысл температуры. Температура – мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул.

Поскольку температура характеризует внутреннее состояние тел, а тела состоят из молекул, то естественно предположить, что температура каким-то образом связана с движением молекул. В пользу такого предположения говорит и ряд опытов.

При постоянном объеме и температуре давление газа пропорционально концентрации молекул р~n.

При нагревании газа, при постоянном объеме и неизменной концентрации молекул его давление растет пропорционально температуре р~Т. Следовательно, р~nТ или , где k – коэффициент пропорциональности. k=1,38*10^-23Дж/К – постоянная Больцмана.

Основное уравнение МКТ газа , имеем , отсюда

Температура термодинамическая пропорциональная средней кинетической энергии хаотического движения молекул.

Физический смысл коэффициента , числитель – энергетическая температура, знаменатель – соответствующая ей температура в кельвинах. k – Постоянная Больцмана равна отношению температуры, выраженной в единицах энергии (Джоулях) к той же температуре, выраженной в кельвинах.

Средняя квадратичная скорость молекул

Вопросы для самопроверки:

1. Какой газ называется идеальным газом?

2. Чем объясняется давление газа? Что называется давлением?

3. Сформулировать и записать основное уравнение идеального газа?

4. Какую температуру называют термодинамической?

5. Объяснить молекулярно-кинетический смысл температуры.

6. Почему температура – мера средней кинетической энергии хаотического движения молекул?

Тема: Уравнение Клапейрона - Менделеева. Изопроцессы и их графики. Термодинамическая шкала температур. Абсолютный нуль.