Презентация "Молекулярно кинетическая теория идеальных газов" по физике – проект, доклад

Физика Молекулярно-кинетическая теория

7. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов

7.1. Статистический и термодинамический методы исследования

Молекулярная физика и термодинамика — разделы физики, в которых изучаются зависимости свойств тел от их строения, взаимодействия между частицами и характера движения частиц.

Молекулярная физика — раздел физики, изучающий строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений. Основа молекулярной физики — это представление, что все тела состоят из молекул, находящихся в непрерывном хаотическом движении.

Явления в молекулярной физике изучаются с помощью статистического метода. Статистический метод – это метод исследования систем, состоящих из большого числа частиц и использующий статистические закономерности динамических характеристик этих частиц (скорости, энер­гии и т. д.).

Термодинамика — раздел физики, изучающий общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, а также процессы перехо­да между этими состояниями.

Явления термодинамики изучаются с помощью термодинамического метода. Термодинамический метод – это метод исследования систем, состоящих из большого числа частиц и использующий величины, характеризующие систему в целом (давление, объем, температура).

Состояние системы задает­ся термодинамическими параметрами (параметрами состояния) —температурой, давлением и удельным объемом.

Термодинамика имеет дело с термодинамической системой. Термодинамическая система – это совокупность мак­роскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой).

Температура — физическая величина, харак­теризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. В настоящее время применяются только две температурные шкалы — термодина­мическую и Международную практическую.

В Международной практической шкале тем­пература измеряется в градусах Цельсия (°С). Температура замерзания и кипения воды при давлении 1,013105 Па соответственно 0 и 100°С (реперные точки).

В термодинамической шкале тем­пература измеряется в кельвинах (К). Температура определяется по одной реперной точке — тройная точка воды (температура, при которой лед, вода и насыщенный пар при давления 609 Па находятся в термодинамическом равновесии). Температура этой точки по термодинамической шкале равна 273,15К.

Термодинамическая температура и температура по Между­народной практической шкале связаны соотношением:

Т = 273,15 + t.

Нормальные условия:

Удельный объем v — это объем единицы массы. Когда тело однородно, т. е. его плотность  = const, то v=V/m=1/ .

7.2. Законы, описывающие поведение идеальных газов

В молекулярно-кинетической теории пользуются моделью идеаль­ного газа, согласно которой считают, что: 1) собственный объем молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объемом сосуда; 2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия; 3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.

Изотерма.

Закон Бойля—Мариотта: «для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная»:

Роберт Бойль (1627—1691)—английский ученый; Эдм Мариотт (1620—1684) — французский физик.

Законы Гей-Люссака 1) объем данной массы газа при постоянном давлении изменяется линейно с температурой:

Жозеф Гей-Люссак (1778—1850) — французский ученый.

Процесс, протекающий при постоянном давлении, называется изобарным.

Изобара.

2) давление данной массы газа при постоянном объеме изменяется линейно с тем­пературой:

Процесс, протекающий при постоянном объеме, называется изохорным.

Изохора.

В термодинамической шкале температур:

Закон Авогадро: «моли любых газов при одинаковых температуре и давлении занимают одинаковые объемы».

А. Авогадро (1776—1856) — итальянский физик и химик.

При нормальных условиях этот объем равен 22,4110–3 м3/моль (молярный объем).

Моль – единица количества вещества, количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в 0,012 кг изотопа углерода.

В одном моле различных веществ содержится одно и то же число молекул, называемое постоянной Авогадро:

Молярная масса:

– это масса одного моля вещества.

Закон Дальтона: «давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений p1, p2 ,..., рn входящих в нее газов»:

Парциальное давление — давление, которое производил бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объем, равный объему смеси при той же температуре.

Дж. Дальтон (1766—1844) — английский химик и физик.

7.3. Уравнение состояния идеального газа (Менделеева-Клапейрона)

Уравнением состояния термодинамической системы называется уравнение, которое связывает давление р, объем V и температуру Т:

Французский физик и инженер Бенуа Клапейрон (1799—1864).

Русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907)

Пусть некоторая масса газа занимает объем V1, имеет давление р1 и находится при тем­пературе T1. Эта же масса газа в другом произвольном состоянии характеризуется параметрами р2, V2, T2. Переход из состояния 1 в состояние 2 осуществляется в виде двух процессов: изотермического (изотерма 1–1'), изохорного (изохора 1'–2).

В соответствии с законами Бойля — Мариотта и Гей-Люссака за­пишем:

Исключив из уравнений

получим:

— уравнением Клапейрона, в котором В — газовая постоянная, различная для разных газов.

Менделеев объединил уравнение Клапейрона с законом Авогадро. Согласно закону Авогадро, при одинаковых р и Т моли всех газов занимают одинаковый молярный объем Vm , поэтому постоянная В будет одинаковой для всех газов.

- уравнение состояния идеального газа или уравнение Менделеева-Клапейрона для моля газа.

Эта общая для всех газов постоянная обозначается R и называется молярной газовой постоянной:

Уравнение Клапейрона — Менделеева для газа массой т:

— количество вещества.

Вводя постоянную Больцмана:

уравнение состояния можно записать в виде:

где NA/Vm = n — концентрация молекул (число молекул в единице объема).

Число молекул, содержащихся в 1 м3 газа при нормальных условиях, называется числом Лошмидта:

1. Давление идеального газа при данной температуре прямо пропорциональ­но концентрации его молекул (или плотности газа).

2. При одинаковых температуре и давлении все газы содержат в единице объема одинаковое число молекул.

В результате можно сделать выводы:

Иоганн Лошмидт (1821-1895) — австрийский физик и химик, член Австрийской академии наук.

7.4. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеальных газов

Пусть в сосуде объемом V находится идеальный газ массой m с числом молекул N каждая из которых имеет массу m0 и скорость v. Концентрация молекул в газе n=N/V.

Выделим на стенке сосуда некоторую элементарную площадку S и вычислим давление, оказываемое на эту площадку. При каждом соударении молеку­ла, движущаяся перпендикулярно площадке, передает ей импульс: m0v – (– m0v) = 2m0v, m0 — масса молекулы, v — ее скорость.

За время dt площадке dS передается импульс dP. Тогда давление газа, оказываемое на стенку сосуда, будет равно:

Хаотическое движение молекул происходит вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений. Вдоль каждого из них движется 1/3 молекул. Половина молекул 1/6 движется вдоль данного направления в одну сторону, половина — в противоположную.

Тогда число ударов молекул, движущихся в заданном направлении, о площадку S будет 1/6 n Sv t. При столкновении с площадкой эти молекулы передадут ей импульс:

Давление газа, оказываемое им на стенку сосуда:

Если газ в объеме V содержит N молекул, движущихся со скоростями v1, v2, ..., vN, то целесообразно рассматривать среднюю квадратную скорость:

Тогда основное уравнение молекулярно-кинетической те­ории идеальных газов примет вид:

Другие формы этого уравнения :

1. Учитывая, что n =N / V, получим

2. Так как масса газа m=Nm0, то уравнение можно переписать в виде:

3. Для одного моля газа т=М (М — молярная масса):

Используя уравнение Клапейрона — Менделеева получим:

Так как M=m0NА, т0 — масса одной молекулы, NА — постоянная Авогадро, то:

k=R/NА — постоянная Больцмана.

Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеаль­ного газа:

Вывод: термодинамическая температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа/

При Т=0 =0, т. е. при 0 К прекращается поступательное движение молекул газа, а следовательно, его давление равно нулю.