Постоянная Больцмана определяется как отношение универсальной газовой постоянной к числу Авогадро. Макропараметры и универсальная газовая постоянная.
Универсальная постоянная идеального газа
Газовой смесью называется смесь отдельных газов, не вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ в смеси независимо от других газов полностью сохраняет все свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси. Парциальным называется давление отдельного i-го компонента смеси на стенки сосуда. По закону Дальтона абсолютное давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений ее компонентов. Но если этот компонент будет находиться под давлением рсм при той же температуре Тсм, то он займет объем vi, меньший объема смеси.
Данная задача актуальна в основном, но не только, для применений и устройств, в которых напрямую измеряется скорость газа. Попробуем сформулировать несколько важных на практике выводов для данного случая: показатели объемного счетчика газа тем "весомее", чем выше давление выгодно поставлять газ низкого давления выгодно покупать газ высокого давления Как с этим бороться? Необходима хотя бы простая компенсация по давлению, т.
Мы получили это уравнение, воспользовавшись математической моделью, но еще в XVII веке эту закономерность экспериментально выявили англичанин Бойль и француз Мариотт, поэтому ее назвали в их честь законом Бойля — Мариотта: Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объем постоянно. Как это выглядит на практике? Представьте шар с мягкой резиновой оболочкой или цилиндр со скользящим поршнем, в которых находится определенная масса газа. Как добиться того, чтобы при сжатии газа его температура оставалась постоянной? Газ должен обмениваться теплотой с большим телом с неизменной температурой — термостатом см.
Сжатие газа, отвод теплоты для постоянной температуры Реально ли поддерживать таким способом постоянную температуру? Нет, для этого газ нужно сжимать очень медленно, чтобы он успевал остывать, едва начиная нагреваться. Но если не будет разности температур, то и теплообмена не будет: тепло передается от теплого холодному. Поэтому процесс сможет протекать так: небольшими шагами сжимаем газ, чтобы на каждом таком шаге он немного нагревался и это тепло тут же забирал термостат. Постоянная температура — это приближение, тем не менее достаточно точно описывающее реальный процесс и позволяющее решать задачи.
Зафиксируем второй параметр — давление, при этом меняться будут температура и объем. Разделим обе части уравнения Клапейрона на давление: Если разделить константу на постоянное давление, то получим тоже константу: А если рассмотреть объем и температуру в начале и в конце изобарного процесса, можно записать: Из уравнения видно: при увеличении температуры нагревании при постоянном давлении увеличивается объем газ расширяется , и наоборот, при охлаждении — сжимается. Это пример прямой пропорциональности. До того как вывели этот закон математически, его экспериментально получил Гей-Люссак это двойная фамилия одного человека, французского ученого , поэтому его назвали законом Гей-Люссака: Для данной массы газа при постоянном давлении отношение объема к температуре постоянно. Пример реального процесса, который можно описывать как изобарный: газ, который находится в цилиндре под поршнем, который свободно перемещается и на который снаружи действует постоянное давление, например атмосферное.
Тогда, если нагреть этот газ, он будет расширяться, но давление как было равным атмосферному плюс давление самого поршня , так и останется. На самом деле, если давление газа совсем не будет увеличиваться, у поршня не будет причин двигаться, давления будут все время уравновешены. Так что давление немного увеличивается, но под его действием поршень сдвигается вверх, и оно тут же понижается до прежнего значения. Эти изменения небольшие, так что для решения многих задач давление можно действительно считать постоянным. И остался третий параметр, который мы еще не фиксировали, — объем, при этом изменяются температура и давление.
Разделим обе части уравнения Клапейрона на объем: Справа получилась константа: Теперь можно связать давление и температуру в начале и в конце изохорного процесса: Из уравнения видно: при увеличении температуры нагревании при постоянном объеме увеличивается давление газа, и наоборот.
Средняя кинетическая энергия частиц однозначно определяет температуру идеального газа. Большинство реальных газов, которые находятся при не слишком высоких давлениях и не слишком низких температурах, можно считать с высокой точностью идеальными. Универсальное уравнение состояния Так называют уравнение, которое объединяет в рамках одного выражения все важные термодинамические параметры идеальной газовой системы. Здесь P и V - давление в паскалях и объем в метрах кубических, n и T - количество вещества в молях и температура системы в Кельвинах. Это равенство также называется уравнением или законом Клапейрона-Менделеева в честь французского физика и инженера и русского химика XIX века, которые вывели это уравнение из накопленного предыдущими поколениями ученых экспериментального опыта.
Универсальное уравнение состояния системы позволяет получить любой газовый закон. Например, закон Гей-Люссака следует из него непосредственно, если положить постоянным объем во время термодинамического процесса. Мы выше расшифровали 4 из 5 обозначений, присутствующих в формуле. Пятым является коэффициент R. Он называется универсальной газовой постоянной. Что это за величина, рассмотрим подробнее дальше в статье.
Уравнение состояния вещества
В то время как универсальная газовая постоянная одинакова для всех идеальных газов, конкретная или индивидуальная газовая постоянная применима к конкретному газу или смеси газов, такой как воздух. Например, уравнение скорости звука обычно записывается через удельную газовую постоянную. Значения индивидуальной газовой постоянной для воздуха и некоторых других обычных газов приведены в таблице ниже.
Сжижение газа осуществляется тем труднее, чем выше его температура, так как при более высокой температуре требуется и более высокое давление, чтобы сжижить газ. Выше определенной температуры газ вообще не поддается сжижению. Эта температура называется критической и обозначается Тс. Минимальное давление, необходимое для сжижения газа при его критической температуре, называется критическим давлением и обозначается рс. Объем, занимаемый одним молем газа при его критических температуре и давлении, называется критическим объемом и обозначается Vc. Значения Тс, рс и Vc для каждого газа называются его критическими постоянными. В табл. Газовые смеси, способы выражения состава смесей.
Закон Дальтона.
Термодинамические характеристики идеального газа описываются одним простым уравнением. Закон Авогадро. Чтобы понять, как работает этот закон, давайте представим, что температура газа постоянна. В этом случае в правой части уравнения получается константа. Значит, произведение давления и объема при неизменной температуре оказывается неизменным. Повышение давления сопровождается уменьшением объема, и наоборот. Это не что иное, как закон Бойля—Мариотта — одна из первых экспериментально полученных формул, описывающих поведение газов.
Газы, участвующие в реакции, находятся при одинаковых условиях, поэтому для расчёта их объёмов не надо находить количество вещества, а можно применить следствие из закона Авогадро, согласно которому в газовых реакциях отношение объёмов реагирующих веществ равно отношению соответствующих коэффициентов в уравнении реакции. Пример 3. Пример 4. Плотность смеси метана и этена по водороду равна 12,8. Определите массовую, объёмную и мольную доли кислорода в смеси. Найдем массовую долю метана.
Уравнение состояния идеального газа
Универсальная газовая постоянная более удобна при расчетах, когда число частиц задано в молях. Газовая постоянная, универсальная физическая постоянная R, входящая в уравнение состояния 1 моля идеального газа: pv = RT (см. Клапейрона уравнение), где р — давление, v — объём, Т — абсолютная температура. Универсальная газовая постоянная была, по-видимому, введена независимо учеником Клаузиуса А. Ф. Хорстманном (1873 г.) и Дмитрием Менделеевым, которые впервые сообщили о ней 12 сентября 1874 г. Используя свои обширные измерения свойств газов, Бесплатно читать. Универсальная газовая постоянная Значение, принятое как 8.31446261815324. R=А, то есть универсальная газовая постоянная численно равна работе расширения одного кмоль газа при изобарическом нагревании на. Универсальная газовая постоянная (также — постоянная Менделеева) — термин, впервые введённый в употребление Д. Менделеевым в 1874 г. Численно равна работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К.
Законы идеального газа, универсальная газовая постоянная
Обсудить Редактировать статью Универсальная газовая постоянная R является фундаментальной физической константой, значение которой лежит в основе понимания свойств идеальных газов. Данная величина численно равна работе, которую совершает один моль идеального газа при его изобарическом расширении на один градус по Кельвину. Иными словами, универсальная газовая постоянная количественно описывает способность газа к термическому расширению в изобарном процессе. Определение и физический смысл Формально универсальная газовая постоянная определяется как работа расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при постоянном давлении при увеличении температуры на один градус Кельвина. Из этого определения сразу следует физический смысл данной константы: чему равна универсальная газовая постоянная - это работа, которую совершает один моль любого идеального газа, расширяясь изобарически на один градус. Другими словами, универсальная газовая постоянная количественно характеризует способность газа к тепловому расширению при постоянном давлении. Это одна из ключевых термодинамических характеристик идеальных газов.
Они сохраняют форму и объем. Свойства жидкостей также объясняются их строением. Частицы вещества в жидкостях взаимодействуют менее интенсивно, чем в твердых телах, и поэтому могут скачками менять свое местоположение — жидкости не сохраняют свою форму — они текучи. Жидкости сохраняют объем. Газ представляет собой собрание молекул, беспорядочно движущихся по всем направлениям независимо друг от друга. Газы не имеют собственной формы, занимают весь предоставляемый им объем и легко сжимаются. Существует еще одно состояние вещества — плазма. Плазма - частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы. При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. Модель идеального газа. Связь между давлением и средней кинетической энергией. Для выяснения закономерностей, которым подчиняется поведение вещества в газообразном состоянии, рассматривается идеализированная модель реальных газов — идеальный газ. Это такой газ, молекулы которого рассматриваются как материальные точки, не взаимодействующие друг с другом на расстоянии, но взаимодействующие друг с другом и со стенками сосуда при столкновениях. Идеальный газ — это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.
Впервые постоянную R в физику ввел Д. Менделеев, заменив ею в универсальном уравнении состояния Клапейрона ряд других констант. Отметим, что хотя величина R введена для газов, в современной физике она используется также в уравнениях Дюлонга и Пти, Клаузиуса-Моссотти, Нернста и в некоторых других. Постоянные kB и R Люди, которые знакомы с физикой, могли заметить, что существует еще одна постоянная величина, которая во всех физических уравнениях выступает в качестве переводного коэффициента между энергией и температурой. Эта величина называется постоянной Больцмана kB. Очевидно, что должна существовать математическая связь между kB и R. Такая связь действительно существует, она имеет следующий вид: Решение задачи После знакомства с единицами измерения универсальной газовой постоянной предлагается получить их из универсального уравнения для идеального газа, которое было приведено в статье. Ниже на рисунке изображено это уравнение. Как видно, при получении единиц измерения для R мы упрощали только единицы измерения числителя. Сначала была использована формула для давления, а затем произведение единиц силы на единицы расстояния были преобразованы в единицы работы. Универсальная газовая постоянная это определение Величины, характеризующие состояние газа, это m — масса газа, V — объём газа, P — давление газа, T — температура газа. Эти величины называются параметрами состояния. Уравнение, связывающее параметры m, Р, V и T, называется уравнением состояния. Уравнение состояния идеального газа — это уравнение Менделеева — Клапейрона где m — масса газа; m — масса одного моля газа, тогда — число молей газа. Для одного моля газа уравнение Менделеева — Клапейрона записывается: где R — универсальная газовая постоянная. Выясним физический смысл универсальной газовой постоянной R. Пусть 1 моль идеального газа заключен в цилиндр под поршень рис. Первое, начальное, состояние газа характеризуется параметрами V1, Р1, T1. Пусть второе, конечное, состояние газа характеризуется параметрами V2, Р1, T2. При подводе тепла Q поршень приподнялся на высоту Dh в результате расширения газа при постоянном давлении P1. Газ совершил работу А по поднятию поршня: где F — сила, действующая на поршень со стороны газа; P1 — давление газа на поршень. Давление P1 и сила F связаны соотношением Записываем уравнение Менделеева — Клапейрона для 1 моля газа дважды: для первого состояния и для второго: и вычтем из нижнего уравнения верхнее. Так как Теперь можно определить физический смысл универсальной газовой постоянной R.
Найдем массовую долю метана. Обратите внимание: мольная, объёмная и массовая доли вещества в смеси не зависят от общего количества смеси. Пример 5. Определите объёмную долю паров этанола в реакционной смеси и процент превращения этена в этанол. Найдём состав исходной смеси.
ВСЕ, ЧТО ТЫ ХОТЕЛ ЗНАТЬ О ГАЗАХ, НО БОЯЛСЯ СПРОСИТЬ
Но если этот компонент будет находиться под давлением рсм при той же температуре Тсм, то он займет объем vi, меньший объема смеси. Парциальным, или приведенным объемом, называется объем данного компонента vi, который он имел бы, если бы находился при полном давлении смеси и ее температуры. Понятие парциального объема необходимо для того, чтобы сравнивать разные количества газов складывать, делить. А это можно сделать только с такими объемными количествами газов, которые находятся в одинаковых условиях то есть имеют одинаковые Т и р.
Согласно закону Амага.
Физический смысл универсальной газовой постоянной Величины, характеризующие состояние газа, это m — масса газа, V — объём газа, P — давление газа, T — температура газа. Эти величины называются параметрами состояния. Уравнение, связывающее параметры m, Р, V и T, называется уравнением состояния.
Для одного моля газа уравнение Менделеева — Клапейрона записывается: где R — универсальная газовая постоянная.
USSA1976 признает, что это значение не согласуется с приведенными значениями для постоянной Авогадро и постоянной Больцмана. При использовании значения R по ISO расчетное давление увеличивается всего на 0,62 паскаль на 11 км эквивалент разницы всего в 17,4 сантиметра или 6,8 дюйма и на 0,292 Па на 20 км эквивалент разницы всего в 33,8 см или 13,2 дюйма. Также обратите внимание, что это было задолго до переопределения SI 2019 года, благодаря которому константе было присвоено точное значение.
Карно умер от холеры. По законам того времени всёзго имущество, в том числе и рукописи, было сожжено.
Предложил цикл цикл Карно , соторый меет наибольший коэффициент полезного действия среди всех возможных циклад. В 1820—30 работал в Петербурге. В знак признания научных заслуг был лзбран членом-корреспондентом Петербургской АН, награждён орденами. Карно умер, так и не услышав никакого отклика па свою работу. Печальный, но не единственный в истории науки факт. В 1834 году Клапейрон4 переработал труд Карно и почти под тем же названием «Мемуар о движущей силе огня» издал в сборнике Политехнической школы в Париже.
Клапейрон использовал в своём изложении, которое носило более строгий математический характер, графическое представление тепловых процессов в диаграмме У-р. Популярные сейчас кривые — изотермы и адиабаты — ведут свою историю от работ Клапейрона. Мемуар Карно в своё время был отклонён редакцией журнала «Анналы» Поггендорфа крупнейшего физического журнала того времени. Мемуар же Клапейрона произвёл на редактора журнала Поггендорфа столь сильное впечатление, что он сам перевёл его на немецкий язык и напечатал в своём журнале в 1843 году. Это уравнение он называет «уравнением состояния Гей-Люссака-Мариотта» и широко использует его в данной работе. Очевидно, что уравнение Клапейрона 18 тождественно уравнению Карно 17.
Общая информация [ править | править код ]
- Рекомендуемые материалы
- Универсальная постоянная идеального газа
- Универсальная постоянная идеального газа -
- Уравнение состояния идеального газа
- 9.2. Уравнения состояния и закономерности движения газа
- Универсальная газовая постоянная — Википедия. Что такое Универсальная газовая постоянная
Значение универсальной газовой постоянной
Универсальная газовая постоянная (обозначается как R или Rунив) является физической константой, которая используется в различных уравнениях газового состояния для рассчета свойств газов. Решение задачи После знакомства с единицами измерения универсальной газовой постоянной предлагается получить их из универсального уравнения для идеального газа, которое было приведено в статье. у англосаксов) в различных системах измерения = в различных размерностях. Универсальная газовая постоянная (R = 8.31 Дж/(моль К)) — произведение постоянной Больцмана на число Авогадро. Другими словами, универсальная газовая постоянная количественно характеризует способность газа к тепловому расширению при постоянном давлении.
Газовые законы
Объем газа всегда совпадает с объемом того сосуда, который он занимает. Единица объема в СИ м3. Давление — физическая величина, равная отношению силы F, действующей на элемент поверхности перпендикулярно к ней, к площади S этого элемента. Как возникает давление газа? В результате беспорядочных ударов о стенку сила со стороны всех молекул на единицу площади стенки быстро меняется со временем относительно некоторой средней величины. Давление газа возникает в результате беспорядочных ударов молекул о стенки сосуда, в котором находится газ. Используя модель идеального газа, можно вычислить давление газа на стенку сосуда. В процессе взаимодействия молекулы со стенкой сосуда между ними возникают силы, подчиняющиеся третьему закону Ньютона. Приборы, измеряющие давление, называют манометрами. Жидкостные манометры: открытый — для измерения небольших давлений выше атмосферного закрытый - для измерения небольших давлений ниже атмосферного, то есть небольшого вакуума Металлический манометр — для измерения больших давлений.
Основной его частью является изогнутая трубка А, открытый конец которой припаян к трубке В, через которую поступает газ, а закрытый — соединен со стрелкой. Газ поступает через кран и трубку В в трубку А и разгибает её. Свободный конец трубки, перемещаясь, приводит в движение передающий механизм и стрелку. Шкала градуирована в единицах давления. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.
Имейте в виду, что Уравнение Клайперона-Менделева в традиционной англосаксонской записи чуть отличается от нашей русско-советской традиции , поэтому, точное соответствие величине R в англоязычной литературе это Ru. R — в англоязычной литературе это "индивидуальная газовая постоянная", которая в нашей традиции вообще не вводится.
Выпуск 103. Академия наук СССР.
Границы применимости модели Итак, какие инструменты мы получили?
Основной инструмент один — уравнение состояния идеального газа. А все остальное — это запись этого же уравнения в более удобных формах для решения той или иной задачи. Если мы имеем дело с неизменной массой газа то есть нет утечек , то три параметра состояния связаны уравнением Клапейрона.
А если при этом еще и остается неизменным один из параметров состояния, применяем уравнение для изотермического, изобарного или изохорного процесса, их еще называют газовыми законами. Применим наши инструменты, решив несколько задач. Задача 2.
Каково давление воздуха в конце сжатия, если в начале сжатия давление воздуха было равно атмосферному 100 кПа? Анализ условия. В задаче описано изменение состояния воздуха, будем его описывать с помощью модели идеального газа — температура сотни градусов по Цельсию это позволяет.
Состояние газа описано тремя макропараметрами давлением, температурой и объемом , причем изменяются все три макропараметра, это не изопроцесс. При этом ничего об утечках воздуха из цилиндра ничего не сказано, значит, количество воздуха не изменяется. Будем применять уравнение Клапейрона.
Физическая часть решения. Запишем уравнение в виде, удобном для описания перехода из состояния 1 в состояние 2: Температуры заданы нужно только перевести их в кельвины , давление тоже. Что сказано об объеме — перепишем условие в математическом виде.
Объем уменьшился в 15 раз, это значит, что в состоянии 2 объем в 15 раз меньше, чем в состоянии 1: Получили простую систему уравнений, решим ее — это будет математическая часть решения. Подставим второе давление: Выразим давление во втором состоянии: Получили ответ: 4,2 МПа или 42 атмосферы. Задача 3.
Какой была начальная температура? В задаче описано изменение состояния газа.
Подобно газам, жидкости не имеют определенной формы. Жидкость принимает форму того сосуда, в котором она находится, при установившемся под влиянием силы тяжести некотором ее уровне. Однако в отличие от газа жидкость имеет собственный объем. Сжимаемость жидкостей очень мала. Для того чтобы заметно сжать жидкость, требуется очень высокое давление. Твердые вещества.
Твердые тела отличаются от жидкостей и газов наличием собственной формы и определенного объема.
Глава 8. Строение вещества
Величину универсальной газовой постоянной можно получить из уравнения состояния идеального газа, если учесть закон Авогадро. Преобразование единиц измерения: Универсальная газовая постоянная используется при преобразовании единиц измерения, связанных с энергией, температурой и количеством вещества. Универсальная газовая постоянная — термин, впервые введённый в употребление Д. Менделеевым в 1874 г. Численно равна работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. Выясним физический смысл универсальной газовой постоянной R. Еще одним свойством газов является их способность смешиваться друг с другом в любых соотношениях. Универса́льная га́зовая постоя́нная — константа, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. Равна.
Уравнение состояния идеального газа
Универсальная газовая постоянная выражается через произведение постоянной Больцмана на число Авогадро. Универсальная газовая постоянная равна разности молярных теплоёмкостей идеального газа при постоянном давлении и постоянном объёме. Она содержит основные характеристики поведения газов: p, V и T — соответственно давление, объем и абсолютная температура газа (в градусах Кельвина), R — универсальная газовая постоянная, общая для всех газов, а n — число. Это число называется универсальной газовой постоянной, она одинакова для всех газов и равна pR. Универсальная газовая постоянная Значение, принятое как 8.31446261815324.
В чем измеряется универсальная газовая постоянная
Газовая постоянная — универсальная физическая постоянная R, входящая в уравнение состояния 1 моля идеального газа: pv = RT (см. Клапейрона уравнение), где р давление, v объём, Т абсолютная температура. Универсальная газовая постоянная — универсальная, фундаментальная физическая константа R, равная произведению постоянной Больцмана k на. Другими словами, универсальная газовая постоянная количественно характеризует способность газа к тепловому расширению при постоянном давлении. Универсальная газовая постоянная равна разности молярных теплоёмкостей идеального газа при постоянном давлении и постоянном объёме: а энергия моля такого газа — на.