2-й семестр

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

1. Свойства газов, жидкостей, твердых тел

Урок 4/75

Тема. Газовые законы

Цель урока: установить зависимость между двумя макропараметрами газа при неизменном третьего

Тип урока: изучение нового материала

План урока

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Абсолютная шкала температур

Способ определения температуры не связан со свойствами одного конкретного вещества. Для определения температуры можно предложить применение свойств газов, которые были обнаружены экспериментально: при нагревании газа, занимает постоянный объем, до 1 °С его давление повышается на величину, равную 1/273 давления при температуре 0 °С: р = p0(1 + t), где р и р0 - соответственно давление газа при температуре t °С и 0 °С, а = 1/273 - термический коэффициент давления.

Соединив сосуды, в которых находится газ, с манометром, можно измерить температуру по показаниям манометра. При этом следует обратить внимание на странный факт: при температуре t = -273 °С давление газа должно быть равно нулю. Естественно брать эту температуру за точку отсчета новой температурной шкалы, оставив в качестве второй точки отсчета температуру таяния льда при нормальных условиях.

Если при температуре ноль термометрична величина превращается в ноль, то такая пікала называется абсолютной шкале, а температура, которая числилась по такой шкале, называется абсолютной температурой. Описанную выше шкалу называют шкалой Кельвина, а единицу температуры в этой шкале - градусом Кельвина (обозначение: К).

Например, абсолютном нуле температуры (t = -273°С) соответствует Т = 0 К, а температуре таяния льда (t = 0°С) соответствует T = 273 К. Соотношение между T I t выражается формулой:

Т= t + 273.

2. Модель идеального газа

Конечно, в основе построения любой теории лежит метод моделей, который заключается в том, что вместо реального физического объекта или явления рассматривают его упрощенную модель. В МКТ газов используется модель идеального газа.

С точки зрения молекулярных представлений, газы состоят из атомов или молекул, расстояния между которыми значительно больше их размеры. Вследствие этого силы взаимодействия между молекулами газов практически отсутствуют. Взаимодействие между ними фактически происходит лишь во время кратковременных столкновений.

Поскольку взаимодействие молекул идеального газа сводится лишь к кратковременным столкновений и размеры молекул не влияют на давление и температуру газа, мы можем считать, что: идеальный газ - набор невзаимодействующих материальных точек.

Ø Модель реального газа, в которой пренебрегают размерами молекул газа и их взаимодействием между столкновениями, называют идеальным газом.

Разреженный газ с четкой точностью можно считать идеальным газом.

3. Ізопроцеси

Состояние данной массы газа определяется тремя макроскопическими параметрами - давлением р, объемом V и температурой Т. Однако, многие процессы в газах, происходящие в природе или осуществляются в технике, можно рассматривать (приближенно) как процессы, в которых изменяются лишь два из них. Особое значение в физике и технике имеют, так называемые, ізопроцеси.

Ø Изопроцессами называют процессы, происходящие с данной массой газа при постоянном значение одного из трех параметров - давления, объема или температуры.

Ізопроцес - это идеализированная модель реального процесса, которая только приближенно отражает действительность.

4. Изобарный процесс

Ø Изменение объема и температуры газа при постоянном давлении называется ізобарним процессом.

Во время ізобарного процесса объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре: V/T = const при р = const. Это соотношение называют законом Гей-Люссака в честь французского ученого, который открыл его в начале 19-го века.

Закон Гей-Люссака позволяет связать значения объема и температуры данной массы газа в двух различных состояниях, если давление газа в обоих состояниях одинаков. Обозначим V1 и Т1 значения объема и температуры газа в состоянии 1, a V2 и Т2 - в состоянии 2. Тогда из соотношения V/T = const, получаем или иначе:

Ø Во время ізобарного процесса объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.

Соотношение между объемом данной массы газа и абсолютной температурой при постоянном давлении изображена графически на рисунке.

Этот график называют изобарой. Он показывает, что при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.

5. Изохорный процесс

Ø Изменение давления и температуры газа с постоянным объемом, называют ізохорним процессом.

Опыт показывает: если нагревать газ с постоянным объемом, давление газа будет увеличиваться прямо пропорционально абсолютной температуре. Это означает, что при ізохорному процессе давление газа прямо пропорционален его абсолютной температуры:

Зависимость давления газа от температуры была исследована в конце 18-го века французским ученым Шарлем, поэтому такое соотношение называют законом Шарля.

Ø При ізохорному процессе давление данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуры.

График зависимости р(Т) при V = const называют ізохорою.

Этот график показывает, что с постоянным объемом давление газа прямо пропорционален его абсолютной температуры.

6. Изотермический процесс

Ø Изменение давления и объема газа при постоянной температуре называют изотермическим процессом.

Опыт показывает: если сжимать газ при постоянной температуре, давление возрастает обратно пропорционально объему. Это означает, что во время изотермического процесса давление газа обратно пропорционален его объему: pV = const при Т= const.

Это соотношение было обнаружено во время опыта во второй половине 17-го века английским ученым Бойлем и французским ученым Маріоттом, поэтому его называют законом Бойля - Мариотта.

Ø Во время изотермического процесса давление данной массы газа обратно пропорционален его объему.

График зависимости p(V) при Т = const называют изотермой.

Этот график показывает, что при постоянной температуре давление газа обратно пропорционально его объему.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Изобразите график ізобарного процесса в координатах (р, Т) и (P, V).

2. Изобразите график ізохорного процесса в координатах (V, T) и (P, V).

3. Изобразите график изотермического процесса в координатах (V, T) и (Г, Т).

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Даны два графика одного и того же ізопроцесу. Что это за процесс? В осях которых он изображен?

2. Газ сжат изотермически от объема 8 л до объема 6 л. Давление при этом возросло на 4 кПа. Каким было начальное давление?

3. При температуре -23 ° С газ занимает объем 60 л. Какой будет объем газа при 127 ° С? Давление газа не изменился.

2). Контрольные вопросы

1. Как обеспечивается ізобарність процесса в газе?

2. Как обеспечивается ізохорність процесса в газе?

3. Как обеспечивается ізотермічність процесса в газе?

4. Каковы пределы применимости газовых законов?

Что мы узнали на уроке

• Если при температуре ноль термометрична величина превращается в ноль, то такая шкала называется абсолютной шкале, а температура, которая числилась по такой шкале, называется абсолютной температурой.

• Модель реального газа, в которой пренебрегают размерами молекул газа и их взаимодействием между столкновениями, называют идеальным газом.

• Изопроцессами называют процессы, происходящие с данной массой газа при постоянном значение одного из трех параметров - давления, объема или температуры.

• Закон Гей-Люссака: позволяет связать значения объема и температуры данной массы газа в двух различных состояниях, если давление газа в обоих состояниях одинаков:

• Закон Шарля: при ізохорного процесса давление данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:

• Закон Бойля - Мариотта: во время изотермического процесса давление данной массы газа обратно пропорционален его объему:

Домашнее задание

1. Конспект.

2. Решите задачи:

г1): 1. Если надувать детскую резиновую шарик воздухом, то объем ее увеличивается, однако давление воздуха в шарике тоже увеличивается. Не противоречит ли это закону Бойля-Мариотта?

2. Почему плавательный пузырь у рыб, которые были пойманы в глубоких водоемах, выходит через рот наружу, когда их вытаскивают из воды?

3. Назовите температуру таяния льда и кипения воды с нормальным давлением в градусах Цельсия и в кельвинах.

4. При температуре 294 К объем газа равен 0,35 дм3. По какой температуры объем той же массы газа увеличится до 0,4 дм3? Давление газа считайте постоянным.

р2): 1. Давление газа в баллоне при 27 °С равна 240 кПа. Каким станет давление после нагрева газа до 100 °С?

2. На сколько градусов надо изобарно нагреть газ, чтобы он приобрел объем, вдвое больший по сравнению с объемом при 0 °С?

3. Объем газа в результате ізобарного процесса уменьшился на 10 л, а абсолютная температура снизилась в 1,2 раза. Определите первоначальный объем газа.

4. После увеличения абсолютной температуры в 1,2 раза, объем газа увеличился на 0,6 л с постоянным давлением. Найдите первоначальный объем газа.

Г3): 1. При изотермическом сжатии объем газа уменьшился на 5 л, а давление увеличилось в 3 раза. Каким был первоначальный объем газа?

2. Давление некоторой массы идеального газа изотермически увеличили вдвое. Как при этом изменилась плотность газа?

3. Во время ізобарного нагрева абсолютную температуру идеального газа увеличили вдвое. Во сколько раз изменилась плотность газа?

4. Объем пузырька воздуха в период всплывания его со дна озера на поверхность пороки увеличивается в три раза. Какова глубина озера? Изменением температуры с глубиной можно пренебречь.