Идеальный газ

Содержание

Слайд 2

Мы знаем, что :
на микроскопическом уровне все вещество - твердые тела, жидкости,

Мы знаем, что : на микроскопическом уровне все вещество - твердые тела,
газы, любые биологические объекты и мы сами – все дискретно – то тесть, состоит из частиц (молекул и атомов) настолько малых, что видеть мы их не можем.
Но: на макроскопическом уровне (в масштабах, доступных нашим органам чувств) тела, состоящие из огромного множества частиц, часто воспринимаются как сплошная непрерывная среда (твердое тело, жидкость, газ), характеризующаяся макроскопическими измеряемыми параметрами (плотность[кг/м3] , давление [Н/м2], температура [0К или 0С] и некоторые другие, о которых по ходу дела расскажем...)
Термодинамика и стат. физика занимаются явлениями и процессами, наблюдаемыми на макроскопическом уровне, но объясняющимися именно молекулярной, дискретной микро-структурой вещества

Предмет молекулярной физики

Слайд 3

О каких конкретно явлениях и процессах идет речь?
Тепловые явления и макроскопические

О каких конкретно явлениях и процессах идет речь? Тепловые явления и макроскопические
параметры вещества - нагревание и охлаждение, температура, давление
Агрегатные состояния вещества
- взаимопревращения твердого тела, жидкости и газа
Связь тепловых явлений и механического движения –
- теплота, работа и энергия, тепловые двигатели
Явления переноса
- теплопроводность, вязкость, звук
Свойства веществ, связанные с их атомно-молекулярным составом и структурой составляющих их молекул, а также взаимопревращение веществ по причинам изменения структуры составляющих их молекул, НЕ являются предметом молекулярной физики.
Этим пусть занимается отдельная наука - химия….

Предмет молекулярной физики

Слайд 4

Повторение:
Что мы знаем про атомы и молекулы?
(параметры и характеристики)

Термодинамика и статистическая

Повторение: Что мы знаем про атомы и молекулы? (параметры и характеристики) Термодинамика и статистическая физика
физика

Слайд 5

Молекула - наименьшая частица вещества, определяющая его свойства и способная к самостоятельному

Молекула - наименьшая частица вещества, определяющая его свойства и способная к самостоятельному
существованию. Молекулы построены из атомов.
Атом — наименьшая частица простого вещества (химического элемента), входящая в состав и простых, и сложных веществ.

Атомы и молекулы)

Молекулы состоят из атомов как слова из букв. И как из нескольких десятков букв можно составить сотни тысяч разных слов, так и из нескольких десятков . Встречающихся в природе атомов можно составить сотни тысяч разных молекул, образующих разные вещества с разными физическими и химическими свойствами.

Слайд 6

Типичный размер атомов: d ~ 10-10 м ; молекул ~>10-10-7 м
Единица измерения

Типичный размер атомов: d ~ 10-10 м ; молекул ~>10-10-7 м Единица
атомных расстояний: 1 Ангстрем = 10-10 м
1Å 5Å

Размеры молекул и атомов

Слайд 7

Атомная единица массы (1 а.е.м. = 1 Дальтон (Да)) приблизительно равна массе

Атомная единица массы (1 а.е.м. = 1 Дальтон (Да)) приблизительно равна массе
самого легкого в природе атома водорода (протия):
1 а.е.м. = 1Да = ~ MH = 1,66 ·10-27 кг
Массу других атомов и молекул определяют их массовые числа (А), которые для каждого хим. элемента указаны в таблице Менделеева:
Для водорода Н1: АН1 = 1
Для молекулярного водорода Н2: АН2 = 2
Для воды Н2О: АН2О = 18
Для углекислого газа СО2: АСО2 = 44
и т.д.
Пример: масса молекулы азота N2: MN2 = 28Да = 4,67·10-26кг

Масса молекул и атомов

Слайд 8

Количество вещества - это число составляющих его атомов и/или молекул. Для любых

Количество вещества - это число составляющих его атомов и/или молекул. Для любых
макроскопически заметных количеств это число огромно.
Считать молекулы штуками – не удобно. Их считают молями. Один моль = NA штук молекул: NA = 6,02x1023 штук = 1 моль = число Авогадро
Выбор этого числа привязан к системе SI:
1 моль атомарного водорода имеет массу равную 1 грамм.
1 моль любого вещества имеет массу, равную его молярному числу в граммах. Масса одного моля вещества = молярная масса: μ = M / v

Количество вещества

Точное значение числа Авогадро,
рекомендованное CODATA
в 2015 году (с погрешностью):
NA = 6,02214082(11)·1023  моль−1.
Предполагается, что в новой версии системы SI (в 2018 году) число Авогадро будет установлено точно (без привязки к физико-химическим измерениям)

Amadeo Avogadro
1776-1856

Слайд 9

Вещество, с которым мы имеем дело при обычных земных условиях, может находиться

Вещество, с которым мы имеем дело при обычных земных условиях, может находиться
в двух принципиально разных состояниях:
Плотноупакованном (конденсированном), когда молекулы (атомы) прижаты вплотную к друг-другу (твердые тела, жидкости, био-объекты). Сильное межмолекулярное взаимодействие при этом удерживает их вместе, но дальнейшее сжатие практически не возможно и возможности движения частиц очень ограничены
Разреженное (газ). Когда молекулы находятся в беспрестанном, действительно хаотическом движении и (в среднем) достаточно далеко друг от друга, взаимодействуя только при столкновениях
В первую очередь для газа формулировалась изначально МКТ.:
Вещество состоит из микрочастиц – атомов и/или молекул
Атомы и молекулы (очевидно) взаимодействуют друг с другом и…
..находятся в состоянии беспрестанного хаотического движения

Конденсированное и разреженное вещество

Слайд 10

Потенциальная энергия взаимодействия молекул

Существование двух существенно разно-плотных состояний вещества - газообразного и

Потенциальная энергия взаимодействия молекул Существование двух существенно разно-плотных состояний вещества - газообразного
конденсированного – качественно объясняется тем, что потенциальная энергия взаимодействия молекул имеет зависимость от расстояния между ними, похожую на показанную на рисунке.

r0

Очевидно, что состояние со средними межмолекулярными состояниями близкими к минимуму функции U(r~r0) устойчиво, а при попытке еще больше сжать вещество r~>а будут возникать значительные силы отталкивания, препятствующие этому.

При больших r>>r0 расстояниях между молекулами силы взаимодействия имеют характер притяжения, но слабого. Если молекулы быстро движутся, это взаимодействие будет неощутимым и молекулы будут двигаться каждая сама по себе, лишь изредка сталкиваясь друг с другом (это газ!)

Слайд 11

Конденсированное вещество

В плотноупакованном состоянии молекулы (атомы) находятся вплотную друг к другу. Дальнейшее

Конденсированное вещество В плотноупакованном состоянии молекулы (атомы) находятся вплотную друг к другу.
сжатие практически не возможно.

Исходя из предположения о типичных размерах a ~ (1 - 5) •10-10м (для тяжелых атомов с большими А – больше) и массах m ~ A • 10-27 кг атомов можно оценить типичную плотность конденсированного вещества: ρ ~ A•10-27кг/(10-30 - 10-29 )м3 ~ 103 – 104 кг/м3
Заглянув в справочники можно убедиться, что практически для всех известных твердых и жидких веществ так оно и есть.

Слайд 12

Известен экспериментальный факт (закон Авогадро): при нормальных условиях (давление равно давлению в

Известен экспериментальный факт (закон Авогадро): при нормальных условиях (давление равно давлению в
земной атмосферы на уровне моря, температура равна 00C) один моль газа занимает объем VА =~ 22,4 л. Оценка концентрации молекул в воздухе n = NА/ VА ~ 1/d3 = 3,7· 1025 м-3 , Откуда d ~ 3 · 10-9 м ~ 10a. Расстояния d между молекулами газа примерно в 10 и более раз больше, чем в жидкостях и твердых телах, а их плотности должны различаться в 1000 и более раз, что так и есть.
ПРИМЕР: плотность воздуха = 1,3 кг/м3 , а плотность воды (вещество с меньшей молекулярной массой, чем воздух) - 103 кг/м3

Разреженное состояние вещества: газ

Оценим теперь типичные межмолекулярные расстояния d в самом распространенном газе – атмосферном воздухе при нормальных атмосферных условиях.

Слайд 13

Идеальный газ – самая простая модель самого простого состояния вещества.
Лектор: доцент НИЯУ

Идеальный газ – самая простая модель самого простого состояния вещества. Лектор: доцент
МИФИ,
Андрей Станиславович ОЛЬЧАК

General Physics NRNU MEPhI

Слайд 14

Газ: расстояние между молекулами много больше размера молекул (d>>r ~ в 10

Газ: расстояние между молекулами много больше размера молекул (d>>r ~ в 10
раз в нормальных условиях и более).
ПРИМЕР: плотность воздуха = 1,3 кг/м3
Газ может неограниченно расширяться, не сохраняя ни объема, ни формы. Газ занимает весь предоставленный ему объем.
Взаимодействие молекул газа - столкновения.
Удары молекул газа о стенки сосуда или о поверхность помещенного в газ тела создают давление газа

Разреженное состояние вещества: газ

Слайд 15

Идеальный газ

Вещество находится в газообразном состоянии если суммарная кинетическая энергия молекул много

Идеальный газ Вещество находится в газообразном состоянии если суммарная кинетическая энергия молекул
больше абсолютного значения суммарной потенциальной энергии их взаимного притяжения

Идеальный газ - модель реального газа, в которой он рассматривается как множество свободных молекул, взаимодействие между которыми сводится к относительно редким упругим столкновениям (подобно бильярдным шарам). Потенциальной энергией взаимодействия молекул в модели идеального газа пренебрегают.
Реальные газы (воздух) при достаточно больших температурах действительно ведут себя подобно идеальному газу.

На больших расстояниях молекулы притягиваются, на малых расстояниях – отталкиваются.

Слайд 16

Траектория движения молекулы в случае газообразного состояния вещества

Идеальный газ

Траектория движения молекулы в случае газообразного состояния вещества Идеальный газ

Слайд 17

Для практического описания состояний разреженных газов, близких к идеальному, используется всего несколько

Для практического описания состояний разреженных газов, близких к идеальному, используется всего несколько
усредненных макро-параметров:
V [м3] – объем
M [кг] - масса; ρ[кг/м3] = M/V – плотность вещества
P [Н/м2] – давление
T [К] – температура
μ [г/моль] – молярная масса; ν [моль] = M/μ = количество вещества
S [Дж/К] - энтропия

Макропараметры

Слайд 18

Среднее значение квадрата скорости молекул

Бессмысленно пытаться проследить за движением всех молекул -

Среднее значение квадрата скорости молекул Бессмысленно пытаться проследить за движением всех молекул
их слишком много.
Скорости разных молекул могут быть любыми, но среднее значение скорости, или, что важнее, квадрата скорости - вполне определенное и устойчивое:
= 0 (в среднем газ покоится)
= (V12 + V22 + V32 + ..+ VN2 )/ N > 0
Движение молекул хаотично изотропно => средние значения квадратов проекций скоростей на оси X, Y, Z одинаковы:
= + < Vy2 > + < Vz2 > ;
= < Vy2 > = < Vz2 > = / 3

Y

Z

X

Слайд 19

Давление идеального газа

После упругого удара о стенку молекулы массы m, она отлетает

Давление идеального газа После упругого удара о стенку молекулы массы m, она
, сменив знак компоненты скорости, перпендикулярной стенке и передав ей импульс Δрх = 2m<|Vx|>.
За время Δt о стенку ударятся половина молекул из слоя ΔX= <|Vx|>Δt. Суммарный переданный импульс составит:
ΔP = m<|Vx|> n <|Vx|>Δt S = nmΔtS
где n[1/м3] - число молекул в единице объема,
S [м2] - площадь стенки.

Y

Z

X

ΔX

V

V’

Средняя сила действующая на единицу площади стенки называется давлением газа: Р = (ΔP/Δt)/S = nm/3 = 2n/3
Это и есть основное уравнение МКТ для идеального газа.

Слайд 20

Температура.

Основное уравнение МКТ для идеального газа:
Р = 2/3n = nΘ =

Температура. Основное уравнение МКТ для идеального газа: Р = 2/3n = nΘ
nkT
Θ = 2/3 - абсолютная температура,
измеряемая в энергетических единицах [Дж]
Температура – мера средней кинетической энергии движения молекул
T = Θ/k - абсолютная температура, измеряемая в градусах Кельвина [K]
k = 1,38 х 10-23 Дж/К - коэффициент пропорциональности,
постоянная Больцмана.
Комнатная температура T ~ 300K ~ 4 • 10-21 Дж
= 3kT/2 = m/ 2 => =3kT / m

Слайд 21

Температурные шкалы.

Шкала Кельвина
1K=1,38 х 10-23 Дж

0 K

273 K

373 K

-2730С

00С

1000С

Шкала Цельсия
10С =1K

Температурные шкалы. Шкала Кельвина 1K=1,38 х 10-23 Дж 0 K 273 K

00F = -180C

1000F = 370C

Шкала Фаренгейта
10F = 0,550C = 0,55K

-4600F

Слайд 22

Макроскопическое уравнение идеального газа

Основное уравнение: Р = nkT
Выразим n (число молекул в

Макроскопическое уравнение идеального газа Основное уравнение: Р = nkT Выразим n (число
единице объема) через макроскопические величины:…
n = N/V = ν[моль]NA / V[м3] = (M/μ)(NA /V)
…и подставим в уравнение состояния идеального газа. Получим уравнение Менделеева-Клапейрона:
РV = nkTV = νRT = (M/μ)RT
где R = kNA = 8,3 Дж/моль•К - универсальная газовая постоянная

Слайд 23

Газовые законы

РV = (M/μ)RT = νRT
Уравнение состояния идеального газа (Д.И.Менделеев(1874) –

Газовые законы РV = (M/μ)RT = νRT Уравнение состояния идеального газа (Д.И.Менделеев(1874)
Б.Клапейрон (1834))

PV = Const если Т = Const (изотермический процесс)
Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если постоянна температура. (Р. Бойль,1662, Э. Мариотт,1677 )
P/T = Const если V = Const (изохорный процесс)
Для газа данной массы отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем не меняется. (Ж. Шарль,1787 )
V/T = Const если Р = Const (изобарный процесс)
Для газа данной массы отношение объема газа к его температуре постоянно, если давление не меняется. (Ж. Гей-Люсак, 1802 )

Имя файла: Идеальный-газ.pptx
Количество просмотров: 38
Количество скачиваний: 0