Молекулярно-кинетическая теория (стр. 4 из 4)

Т = 273,16 + t. (22)

Уравнение Клайперона.

Получим другую форму уравнений, описывающих изобарный и изохорный процессы, заменив в уравнениях (18) и (20) температуру, отсчитанную по шкале Цельсия, термодинамической температурой:

V = V0(1 +

·t) = V0( ) = V0

Обозначив объемы газа при температурах Т1 и Т2, как V1 и V2, запишем

V1 = V0

, V2 = V0 .

Разделив почленно эти равенства, получим закон Гей - Люссака в виде

V1/V2 = Т1/Т2

или

= сonst. (23)

Аналогично получим новую форму закона Шарля :

(24)

Законы Шарля и Гей-Люссака можно объединить в один общий закон, связывающий параметры P, V и T при неизменной массе газа.

Действительно, предположим, что начальное состояние газа при m = const характеризуется параметрами V1, Р1, Т1, а конечное – соответственно V2, Р2, Т2. Пусть переход из начального состояния в конечное состояние происходит с помощью двух процессов: изотермического и изобарического. В ходе первого процесса изменим давление с Р1 на Р2. Объем, который займет газ после этого перехода, обозначим V, тогда по закону Бойля–Мариотта, Р1V1 = Р2V, откуда

(25)

На втором этапе уменьшим температуру с Т1 до Т2, при этом объем изменится от значения V до V2; следовательно по закону Шарля

откуда

(26)

В уравнениях (25) и (26) равны левые части; следовательно, равны и правые, тогда

, или

, (27)

т. е. можно записать, что

. (28)

Выражение (28) называют уравнением Клапейрона или объединённым газовым законом.

Уравнение состояния идеального газа – уравнение Менделеева-Клапейрона.

Значение входящей в уравнение (28) константы, которая обозначается как R, для одного моля любого газа одинаково, поэтому эта константа получила название универсальной газовой постоянной.

Найдем числовое значение R в СИ, для чего учтем, что, как следует из закона Авогадро, один моль любого газа при одинаковом давлении и одинаковой температуре занимает один и тот же объем. В частности при Т0 = 273K и давлении Р0 = 105 Па объем одного моля газа равен V0 = 22,4·10–³ м³. Тогда R =

= 8,31 Дж/(моль· К).

Уравнение (28) для одного моля газа можно записать в виде

. (29)

Из уравнения (29) легко получить уравнение для любой массы газа. Газ массой m займет объем V = V0(m/M), где М – масса 1 моль, m/M – число молей газа. Умножив обе части уравнения (29) на m/M, получим

.

Так как

, то окончательно получаем

. (30)

Уравнение (30) называется уравнением Менделеева – Клапейрона и является основным уравнением, связывающим параметры газа в состоянии теплового равновесия. Поэтому его называют уравнением состояния идеального газа.

Температура - мера средней кинетической энергии

Сравнивая уравнение состояния идеального газа и основное уравнение кинетической теории газов, записанные для одного моля (для этого число молекул N возьмём равным числу Авогадро NА), найдём среднюю кинетическую энергию одной молекулы:

и .

Откуда

. (31)

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы не зависит от её природы и пропорциональна абсолютной температуре газа T. Отсюда следует, что абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии молекул.

Величина R/NА = k в уравнении (31) получила название постоянной Больцмана и представляет собой газовую постоянную, отнесенную к одной молекуле:

k = 1,38·10-23 Дж/К-23.

Так как

= kТ, то средняя квадратичная скорость равна

. (32)

Подставляя значение средней кинетической энергии поступательного движения молекул (31) в основное уравнение молекулярно–кинетической теории газов, получим другую форму уравнения состояния идеального газа:

P = n0kT. (33)

Давление газа пропорционально произведению числа молекул в единице объема на его термодинамическую температуру.

На рис. приведена схема опыта Штерна для определения скорости молекул газа.

В нагревателе с поверхности проволоки, раскаленной электрическим током, испаряются атомы серебра. Попадая из нагревателя через отверстие в вакуумную камеру, молекулы пара с помощью системы щелей формируются в узкий пучок, направленный в сторону двух дисков, вращающихся с угловой скоростью  .Диски используются для сортировки молекул по скоростям. Угол между прорезями в дисках . Расстояние между дисками X в процессе эксперимента не изменяется. Для того, чтобы молекула пара попала на приемник детектора частиц, она должна пройти через прорези в дисках. Для этого время прохождения молекулы, движущейся со скоростью V между дисками, должно быть равно времени поворота прорези второго диска на угол .

Поэтому

V=· X/ 

Список литературы

Коган М.Н. Динамика разреженного газа. М., Физматлит, 1999

Кикоин А.К., Кикоин И.К. Молекулярная физика. М., Физматлит, 1976

Сивухин Д.В. Общий курс физики, т. 2. Термодинамика и молекулярная физика. М., Физматлит, 1989