Уравнение состояния идеального газа

теория по физике 🧲 молекулярная физика, МКТ, газовые законы

Уравнение состояния идеального газа было открыто экспериментально. Оно носит название уравнения Клапейрона — Менделеева. Это уравнение устанавливает математическую зависимость между параметрами идеального газа, находящегося в одном состоянии. Математически его можно записать следующими способами:

Уравнение состояния идеального газа

Внимание! При решении задач важно все единицы измерения переводить в СИ.

Пример №1. Кислород находится в сосуде вместимостью 0,4 м3 под давлением 8,3∙105 Па и при температуре 320 К. Чему равна масса кислорода? Молярная масса кислорода равна 0,032 кг/моль.

Из основного уравнения состояния идеального газа выразим массу:

Уравнение состояния идеального газа следует использовать, если газ переходит из одного состояния в другое и при этом изменяется его масса (количество вещества, число молекул) или молярная масса. В этом случае необходимо составить уравнение Клапейрона — Менделеева отдельно для каждого состояния. Решая систему уравнений, легко найти недостающий параметр.

Подсказки к задачам

Давление возросло на 15%p2 = 1,15p1
Объем увеличился на 2%V2 = 1,02V1
Масса увеличилась в 3 разаm2 = 3m1
Газ нагрелся до 25 оСT2 = 25 + 273 = 298 (К)
Температура уменьшилась на 15 К (15 оС)T2 = T1 – 15
Температура уменьшилась в 2 раза
Масса уменьшилась на 20%m2 = 0,8m1
Выпущено 0,7 начальной массы

Важна только та масса, что осталась в сосуде. Поэтому:

m2 = 0,3m1

Какую массу следует удалить из баллона?Нужно найти разность начальной и конечной массы:

m1 – m2

Газ потерял половину молекул
Молекулы двухатомного газа (например, водорода), диссоциируют на атомы
Озон (трехатомный кислород) при нагревании превращается в кислород (двухатомный газ)M (O3) = 3Ar (O)∙10–3 кг/моль M (O2) = 2Ar (O)∙10–3 кг/моль
Открытый сосудОбъем V и атмосферное давление pатм остаются постоянными
Закрытый сосудМасса m, молярная масса M, количество вещества ν, объем V, число N и концентрация n частиц, плотность ρ— постоянные величины
Нормальные условияТемпература T0 = 273 К Давление p0 = 105 Па
Единицы измерения давления1 атм = 105 Па

Пример №2. В баллоне содержится газ под давлением 2,8 МПа при температуре 280 К. Удалив половину молекул, баллон перенесли в помещение с другой температурой. Определите конечную температуру газа, если давление уменьшилось до 1,5 МПа.

2,8 МПа = 2,8∙106 Па

1,5 МПа = 1,5∙106 Па

Так как половина молекул была выпущена, m2 = 0,5m1. Объем остается постоянным, как и молярная масса. Учитывая это, запишем уравнение состояния идеального газа для начального и конечного случая:

Преобразим уравнения и получим:

Приравняем правые части и выразим искомую величину:

Задание EF19012

На графике представлена зависимость объёма постоянного количества молей одноатомного идеального газа от средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. Опишите, как изменяются температура и давление газа в процессах 1−2 и 2−3. Укажите, какие закономерности Вы использовали для объяснения.

Алгоритм решения

1.Указать, в каких координатах построен график.
2.На основании основного уравнения МКТ идеального газа и уравнения Менделеева — Клапейрона выяснить, как меняются указанные физические величины во время процессов 1–2 и 2–3.

Решение

График построен в координатах (V;Ek). Процесс 1–2 представляет собой прямую линию, исходящую из начала координат. Это значит, что при увеличении объема растет средняя кинетическая энергия молекул. Но из основного уравнения МКТ идеального газа следует, что мерой кинетической энергии молекул является температура:

T=2Ek3..

Следовательно, когда кинетическая энергия молекул растет, температура тоже растет.

Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:

pV=νRT

Так как количество вещества одинаковое для обоих состояния 1 и 2, запишем:

νR=p1V1T1..=p2V2T2..

Мы уже выяснили, что объем и температура увеличиваются пропорционально. Следовательно, давление в состояниях 1 и 2 равны. Поэтому процесс 1–2 является изобарным, давление во время него не меняется.

Процесс 2–3 имеет график в виде прямой линии, перпендикулярной кинетической энергии. Так как температуры прямо пропорциональна кинетической энергии, она остается постоянной вместе с этой энергией. Следовательно, процесс 2–3 является изотермическим, температура во время него не меняется. Мы видим, что объем при этом процессе уменьшается. Но так как объем и давление — обратно пропорциональные величины, то давление на участке 2–3 увеличивается.

Ответ:

 Участок 1–2 — изобарный процесс. Температура увеличивается, давление постоянно.
 Участок 2–3 — изотермический процесс. Температура постоянно, давление увеличивается.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF22473

На высоте 200 км давление воздуха составляет примерно 10–9 от нормального атмосферного давления, а температура воздуха Т – примерно 1200 К. Оцените плотность воздуха на этой высоте.

Ответ:

а) 8,31⋅ 10–11 кг/м3

б) 1,38⋅ 10–9 кг/м3

в) 3⋅ 10–10 кг/м3

г)29⋅ 10–8 кг/м3

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.
2.Записать уравнение Менделеева — Клапейрона.
3.Выразить из уравнения плотность.
4.Подставить известные данные и сделать вычисления.

Решение

Запишем исходные данные:

 Давление воздуха на высоте 200 км: p = 10–9∙105 Па. Или p = 10–4 Па.
 Температура воздуха на этой же высоте: T = 1200 К.

Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:

pV=mM..RT

Плотность определяется формулой:

ρ=mV..

Следовательно, масса равна произведению плотности на объем. Перепишем уравнение состояния идеального газа, учитывая, что объем сократится слева и справа:

p=ρM..RT

Молярная масса воздуха — табличная величина, равная 28,97 г/моль. Переведем в СИ и получим 28,97∙10–3 кг/моль.

Выразим и вычислим плотность:

.

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF22749

Одноатомный идеальный газ в количестве ν моль помещают в открытый сверху сосуд под лёгкий подвижный поршень и начинают нагревать. Начальный объём газа V0, давление p0. Масса газа в сосуде остаётся неизменной. Трением между поршнем и стенками сосуда пренебречь. R универсальная газовая постоянная.

Установите соответствие между физическими величинами, характеризующими газ, и формулами, выражающими их зависимость от абсолютной температуры T газа в условиях данной задачи.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Алгоритм решения

1.Записать уравнение состояния идеального газа и выразить из него объем. Выбрать из таблицы соответствующий номер формулы.
2.Определить, от чего зависит внутренняя энергия идеального газа.
3.Записать основное уравнение МКТ и выразить внутреннюю энергию идеального газа. Выбрать из таблицы соответствующий номер формулы.

Решение

Уравнение состояния идеального газа имеет вид:

pV=mM..RT

Учтем, что отношение массы к молярной массе есть количество вещества.Отсюда объем равен:

V=νRTp..

Следовательно, первой цифрой ответа будет «1».

Внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех молекул этого газа:

E=NEk

Запишем основное уравнение МКТ:

p=nkT

Отсюда температура газа равна:

T=pnk..

Но температура прямо пропорциональна средней кинетической энергии молекул газа:

T=2Ek3k..

Следовательно:

pnk..=2Ek3k..

Ek=3p2n..

E=NEk=N3p2n..

Но концентрация определяется отношением количества молекул к объему. Следовательно:

E=N3pV2N..=3pV2..

А произведение давления на объем можно выразить через уравнение Менделеева — Клапейрона. Следовательно:

E=32..νRT

Вторая цифра ответа будет «3».

Ответ: 13

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF22795

На рисунке показан график зависимости давления газа в запаянном сосуде от его температуры. Объём сосуда равен 0,25 м3. Какое приблизительно количество газообразного вещества содержится в этом сосуде? Ответ округлите до целых.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.
2.Выбрать любую точку графика и извлечь из нее дополнительные данные.
3.Записать уравнение состояния идеального газа.
4.Выполнить решение задачи в общем виде.
5.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные. Объем сосуда равен: V = 0,25 м3. На графике выберем точку, соответствующую температуре T = 300 К. Ей соответствует давление p = 2∙104 Па.

Запишем уравнение состояния идеального газа:

pV=νRT

Отсюда количества вещества равно:

ν=pVRT..=2·104·0,258,31·300..2 (моль)

.

Ответ: 2

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF17664

Зависимость объёма идеального газа от температуры показана на -диаграмме (см. рисунок). В какой из точек давление газа максимально? Масса газа постоянна.

Ответ:

A

B

C

D

Алгоритм решения

1.Записать уравнение состояния идеального газа.
2.Установить, как зависит давление от объема и температуры газа.
3.На основании графика, отображающего изменение температуры и объема газа, установить, в какой точке давление газа максимально.

Решение

Запишем уравнение состояния идеального газа:

pV=νRT

Отсюда видно, что давление прямо пропорционально температуре. Это значит, что с ростом температуры давление увеличивается.

Также видно, что давление обратно пропорционально объему. Следовательно, давление увеличивается с уменьшением объема.

Отсюда следует, что давление будет максимальным в той точке, в которой температура максимальна, а объем минимален. Такой точкой является точка D.

Ответ: D

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18093

В камере, заполненной азотом, при температуре  К находится открытый цилиндрический сосуд (см. рис. 1). Высота сосуда  см. Сосуд плотно закрывают цилиндрической пробкой и охлаждают до температуры  К. В результате расстояние от дна сосуда до низа пробки становится равным h (см. рис. 2). Затем сосуд нагревают до первоначальной температуры T0. Расстояние от дна сосуда до низа пробки при этой температуре становится равным  см (см. рис. 3). Чему равно h? Величину силы трения между пробкой и стенками сосуда считать одинаковой при движении пробки вниз и вверх. Массой пробки пренебречь.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения физических величин в СИ.
2.Записать уравнение Менделеева — Клапейрона и применить его ко всем состояниям газа.
3.Определить условие равновесия пробки.
4.Выполнить решение задачи в общем виде.
5.Вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

 Начальная температура азота: T0 = 300 К.
 Высота сосуда: L = 50 см.
 Температура азота после охлаждения: T1 = 240 К.
 Высота столба азота после нагревания: H = 46 см.

50 см = 0,5 м

46 см = 0,46 м

Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:

pV=νRT

Так как количество азота не меняется, можем принять, что:

pVT..=const

Применим уравнение Менделеева — Клапейрона для всех трех состояний азота. Учтем, что

p0V0T0..=p1V1T1..=p2V2T2..

Пусть S — площадь поперечного сечения сосуда. Тогда объемы столба азота для каждого из состояний будут равны:

V0=SL

V1=Sh

V2=SH

Известно, что в состоянии 3 температура азота поднимается до первоначальной. Поэтому уравнение Менделеева — Клапейрона примет вид:

p0SLT0..=p1ShT1..=p2SHT0..

p0LT0..=p1hT1..=p2HT0..

Неизвестными остались только давления. Их можно определить, записав условие равновесия пробки.

В состоянии 1 сила давления азота на пробку определяется формулой:

p0S=pатмS

В состоянии 2 на пробку действует сила давления со стороны азота и атмосферного давления, я а также сила трения, направленная вверх. Следовательно:

p1S=pатмSFтр=p0SFтр

В состоянии 3 на пробку действуют те же силы, но сила трения теперь действует не вверх, а вниз. Поэтому:

p2S=pатмS+Fтр=p0S+Fтр

Выразим из этих уравнений силу трения:

Fтр=p0Sp1S

Fтр=p2Sp0S

.

Приравняем правые части и получим:

p0Sp1S=p2Sp0S

Отсюда:

p0p1=p2p0

2p0=p2+p1

p0=p2+p12..

Подставим это значение в уравнение Менделеева — Клапейрона и получим:

p2+p12..LT0..=p1hT1..=p2HT0..

Отсюда:

p2+p12..L=p2H

p2L+p1L=2p2H

p1L=2p2Hp2L=p2(2HL)

p1=p2(2HL)L..

Отсюда:

p2(2HL)L..hT1..=p2HT0..

Давление слева и справа взаимоуничтожается. Остается:

T0(2HL)L..h=HT1

Отсюда выразим h:


pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18873

В сосуде неизменного объёма при комнатной температуре находилась смесь неона и аргона, по 1 моль каждого. Половину содержимого сосуда выпустили, а затем добавили в сосуд 1 моль аргона. Как изменились в результате парциальное давление неона и давление смеси газов, если температура газов в сосуде поддерживалась неизменной?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

  1. увеличилась
  2. уменьшилась
  3. не изменилась

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.
2.Установить характер изменения парциального давления неона.
3.Применить закон Менделеева — Клапейрона, чтобы установить характер изменения общего давления смеси газов.

Решение

Исходные данные:

 Количество неона: ν1 = 1 моль.
 Количество аргона: ν2 = 1 моль.
 Количество впущенного аргона: ν4 = 1 моль.

Сначала парциальное давление неона и аргона равно. Это объясняется тем, что давление газов при неизменном количестве вещества зависит только от объема и температуры. Эти величины постоянны.

Когда из сосуда выпустили половину газовой смеси, в нем оказалось по половине моля каждого из газов. Затем в сосуд впустили 1 моль аргона. Следовательно, в сосуде стало содержаться 0,5 моль неона и 1,5 моль аргона. Запишем уравнение Менделеева — Клапейрона:

pV=νRT

Из уравнения видно, что давление и количество вещества — прямо пропорциональные величины. Следовательно, если количество неона уменьшилось, то его парциальное давление тоже уменьшилось.

Общая сумма количества вещества равна сумме количеств вещества 1 (неона) и 2 (аргона): 0,5 + 1,5 = 2 (моль). Изначально в сосуде тоже содержалось 2 моль газа. Так как количество вещества, температура и объем сохранились, давление тоже осталось неизменным.

Ответ: 23

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить


Алиса Никитина | 📄 Скачать PDF | Просмотров: 1.7k | Оценить:

Добавить комментарий



Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *