Fizica moleculară. Curs de pregătire pentru examenul de stat unificat. Teme pentru prima parte a examenului de stat unificat în fizică (fizică moleculară și termodinamică)

Continuăm să analizăm sarcini din prima parte a Examenului de stat unificat de fizică, dedicată temei „Fizica moleculară și termodinamică”. Ca de obicei, toate soluțiile sunt furnizate cu comentarii detaliate de la un tutore de fizică. Există și o analiză video a tuturor sarcinilor propuse. La sfârșitul articolului puteți găsi link-uri către analize ale altor sarcini de la Examenul de stat unificat în fizică.

Echilibrul termodinamic este înțeles ca starea unui sistem în care parametrii săi macroscopici nu se modifică în timp. Această stare va fi atinsă atunci când temperaturile azotului și oxigenului din vas sunt egalizate. Toți ceilalți parametri vor depinde de masa fiecărui gaz și caz general nu va fi la fel, chiar și atunci când are loc echilibrul termodinamic. Răspuns corect: 1.

Într-un proces izobaric, volumul V si temperatura T

Deci, dependență V din T ar trebui să fie direct proporțional, iar dacă temperatura scade, atunci volumul ar trebui să scadă. Programul 4 este potrivit.

Eficiența unui motor termic este determinată de formula:

Aici O- munca efectuata pe ciclu, Q 1 este cantitatea de căldură primită de fluidul de lucru pe ciclu de la încălzitor. Calculele dau urmatorul rezultat: kJ.

Procesul este izobar. Într-un proces izobaric, volumul V si temperatura T gazele ideale sunt legate prin relația:

Deci, dependență V din T direct proporțional, adică pe măsură ce volumul crește, crește și temperatura.

Densitatea unei substanțe este legată de masă mși volum V raport:

Deci, la masă constantă m dependenta ρ din V invers proporțional, adică dacă volumul crește, atunci densitatea scade.

Răspuns corect: 12.

12. Figura prezintă o diagramă a patru modificări succesive ale stării a 2 moli ai unui gaz ideal. În ce proces munca gazului este pozitivă și minimă ca valoare și în ce proces lucrul forțelor externe este pozitivă și minimă ca valoare? Potriviți aceste procese cu numerele procesului de pe diagramă. Pentru fiecare poziție din prima coloană, selectați poziția corespunzătoare din a doua coloană și notați numerele selectate în tabel sub literele corespunzătoare.

Lucrul unui gaz este numeric egal cu aria de sub graficul procesului de gaz în coordonate. Prin semn, este pozitiv în procesul care are loc cu o creștere a volumului, și negativ în cazul opus. Lucrarea forțelor externe, la rândul său, este egală ca mărime și semn opus lucrului gazului în același proces.

Adică, activitatea gazului este pozitivă în procesele 1 și 2. În plus, în procesul 2 este mai mică decât în ​​procesul 1, deoarece aria trapezului galben din figură este mai mică decât aria trapez maro:

Dimpotrivă, munca gazului este negativă în procesele 3 și 4, ceea ce înseamnă că în aceste procese munca forțelor externe este pozitivă. În plus, în procesul 4 este mai mic decât în ​​procesul 3, deoarece aria trapezului albastru din figură este mai mică decât aria trapezului roșu:

Deci răspunsul corect este: 42.

Aceasta a fost ultima temă pe tema „Fizică moleculară și termodinamică” din prima parte a examenului de stat unificat în fizică. Căutați analiza sarcinilor de mecanică.

Material pregătit de Serghei Valerievich

Scop: repetarea conceptelor, legilor și formulelor de bază ale fizicii moleculare în conformitate cu codificatorul Unified State Examination

Prevederi de bază ale TIC

Atom. Moleculă.

Masa moleculelor. Cantitatea de substanță.

Modele ale structurii solidelor, lichidelor și gazelor

Modele ale structurii solidelor, lichidelor și gazelor

Mișcarea termică a moleculelor

10. Interacțiunea particulelor de materie

11. Model cu gaz ideal

12. Ecuația de bază a gazelor MCT

13. Temperatura absolută

14. Temperatura absolută

15. Ecuația Mendeleev-Clapeyron

16. Izoprocese

17. Izoprocese

18. Izoprocese

19. Transformări reciproce ale lichidelor și gazelor

20. Transformări reciproce ale lichidelor și gazelor Vapori saturati și nesaturați

21. Transformări reciproce ale lichidelor și gazelor Fierberea

22. Umiditate

23. Modificarea stărilor agregative ale materiei: topire și cristalizare

24. Termodinamica

25. Energie internă

26. Transfer de căldură

27. Cantitatea de căldură

28. Cantitatea de căldură

29. Lucrări în termodinamică

30. Prima lege a termodinamicii

31. Aplicarea primei legi a termodinamicii la diferite procese

32. A doua lege a termodinamicii

33. Eficiența unui motor termic

34.

35.

36.

37.

38.

39.

40.

41.

42.

43.

44.

45.

46.

47.

48.

49.

50.

51.

3. când este mare, deoarece aceasta provoacă transpirație

64.

65.

66.

67.

68.

69.

70.

71.

 § 2. Fizica moleculară. Termodinamica

În fizica moleculară, cantitatea unei substanțe este de obicei măsurată în moli.
 Molem ν este cantitatea de substanță care conține același număr de atomi sau molecule (unități structurale) ca și în 12 g de carbon. Acest număr de atomi în 12 g de carbon se numește numărul lui Avogadro:

 Masa molară M = M r 10 −3 kg/mol este masa unui mol dintr-o substanță. Numărul de moli dintr-o substanță poate fi calculat folosind formula

 Ecuația de bază a teoriei cinetice moleculare a unui gaz ideal:

Unde m 0- masa moleculei; n- concentrația de molecule; Ṽ - viteza medie pătratică a moleculelor.

 2.1. Legile gazelor

În coordonate p−V izoterma este o hiperbolă și în coordonate V−TŞi p−T- drept (vezi Fig. 4)

 Procesul izocor(Legea lui Charles):
Pentru o masă dată de gaz la un volum constant, raportul dintre presiune și temperatură în grade Kelvin este o valoare constantă (vezi Fig. 5).

 Procesul izobar(Legea lui Gay-Lussac):
Pentru o masă dată de gaz la presiune constantă, raportul dintre volumul gazului și temperatura în grade Kelvin este o valoare constantă (vezi Fig. 6).

 legea lui Dalton:
Dacă într-un vas există un amestec de mai multe gaze, atunci presiunea amestecului este egală cu suma presiunilor parțiale, adică. acele presiuni pe care fiecare gaz le-ar crea în absența celorlalți.

 2.2. Elemente de termodinamică

 Lucrari in termodinamica:
munca în timpul expansiunii izobare a unui gaz este egală cu produsul dintre presiunea gazului și modificarea volumului acestuia:

 Legea conservării energiei în procesele termice (prima lege a termodinamicii):
modificarea energiei interne a unui sistem în timpul tranziției sale de la o stare la alta este egală cu suma muncii forțelor externe și a cantității de căldură transferată sistemului:

Aplicarea primei legi a termodinamicii la izoprocese:
 O) proces izotermic T = const ⇒ ∆T = 0.
În acest caz, modificarea energiei interne a unui gaz ideal

Prin urmare: Q = A.
Toată căldura transferată gazului este cheltuită pentru a lucra împotriva forțelor externe;

 b) proces izocor V = const ⇒ ∆V = 0.
În acest caz, funcționează gazul

Prin urmare, ∆U = Q.
Toată căldura transferată gazului este cheltuită pentru creșterea energiei sale interne;

 V) proces izobaric p = const ⇒ ∆p = 0.
În acest caz:

 Adiabatic este un proces care are loc fără schimb de căldură cu mediu:

În acest caz A = −∆U, adică Modificarea energiei interne a gazului are loc datorită muncii efectuate de gaz asupra corpurilor externe.
  Când un gaz se dilată, face o activitate pozitivă. Lucrarea A efectuată de corpurile externe asupra unui gaz diferă de munca efectuată de un gaz numai în semn:

 Cantitatea de căldură necesară pentru încălzirea corpuluiîn stare solidă sau lichidă într-o stare de agregare, calculată prin formula

unde c este capacitatea termică specifică a corpului, m este masa corpului, t 1 este temperatura inițială, t 2 este temperatura finală.
 Cantitatea de căldură necesară pentru a topi un corp la punctul de topire, calculat prin formula

unde λ este căldura specifică de fuziune, m este masa corpului.
 Cantitatea de căldură necesară pentru evaporare, calculat prin formula

unde r este căldura specifică de vaporizare, m este masa corporală.

Pentru a transforma o parte din această energie în energie mecanică, cel mai des sunt utilizate motoarele termice. Eficiența motorului termic este raportul dintre munca A efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor:

Inginerul francez S. Carnot a creat un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Eficiența unei astfel de mașini

  Aerul, care este un amestec de gaze, conține vapori de apă împreună cu alte gaze. Conținutul lor este de obicei caracterizat de termenul „umiditate”. Se face o distincție între umiditatea absolută și umiditatea relativă.
 Umiditate absolută se numește densitatea vaporilor de apă din aer - ρ ([ρ] = g/m3). Umiditatea absolută poate fi caracterizată prin presiunea parțială a vaporilor de apă - p([p] = mmHg; Pa).
 Umiditatea relativă (ϕ)- raportul dintre densitatea vaporilor de apă prezenți în aer și densitatea vaporilor de apă care ar trebui să fie conținut în aer la această temperatură pentru ca vaporii să fie saturati. Umiditatea relativă poate fi măsurată ca raportul dintre presiunea parțială a vaporilor de apă (p) și presiunea parțială (p0) pe care o au vaporii saturati la acea temperatură:

Teoria cinetică moleculară numită doctrina structurii și proprietăților materiei bazată pe ideea existenței atomilor și moleculelor ca cele mai mici particule ale unei substanțe chimice. Teoria cinetică moleculară se bazează pe trei principii principale:

• Toate substanțele - lichide, solide și gazoase - sunt formate din particule minuscule - molecule, care constau în sine atomi(„molecule elementare”). Moleculele unei substanțe chimice pot fi simple sau complexe și constau din unul sau mai mulți atomi. Moleculele și atomii sunt particule neutre din punct de vedere electric. În anumite condiții, moleculele și atomii pot dobândi încărcătură electrică suplimentară și se pot transforma în ioni pozitivi sau negativi (anioni și, respectiv, cationi).
• Atomii și moleculele se află într-o mișcare și interacțiune haotică continuă, a căror viteză depinde de temperatură și a căror natură depinde de starea de agregare a substanței.
• Particulele interacționează între ele prin forțe de natură electrică. Interacțiunea gravitațională dintre particule este neglijabilă.

Atom– cea mai mică particulă indivizibilă din punct de vedere chimic a unui element (fier, heliu, atom de oxigen). Moleculă- cea mai mică particulă a unei substanțe care își păstrează proprietățile chimice. Molecula este formată din unul sau mai mulți atomi (apă - H 2 O - 1 atom de oxigen și 2 atomi de hidrogen). Ion– un atom sau o moleculă care are unul sau mai mulți electroni în plus (sau electroni lipsă).

Moleculele au dimensiuni extrem de mici. Moleculele monoatomice simple au o dimensiune de ordinul 10-10 m Moleculele poliatomice complexe pot avea dimensiuni de sute și de mii de ori mai mari.

Mișcarea haotică aleatoare a moleculelor se numește mișcare termică. Energia cinetică a mișcării termice crește odată cu creșterea temperaturii. La temperaturi scăzute moleculele se condensează într-un lichid sau solid. Pe măsură ce temperatura crește, energia cinetică medie a unei molecule devine mai mare, moleculele zboară separat și se formează o substanță gazoasă.

În solide, moleculele suferă vibrații aleatorii în jurul centrelor fixe (poziții de echilibru). Acești centri pot fi localizați în spațiu într-o manieră neregulată (corpi amorfe) sau pot forma structuri volumetrice ordonate (corpi cristalini).

În lichide, moleculele au libertate mult mai mare pentru mișcarea termică. Ele nu sunt legate de centre specifice și se pot mișca pe întregul volum de lichid. Aceasta explică fluiditatea lichidelor.

În gaze, distanțele dintre molecule sunt de obicei mult mai mari decât dimensiunile lor. Forțele de interacțiune dintre molecule la distanțe atât de mari sunt mici și fiecare moleculă se mișcă de-a lungul unei linii drepte până la următoarea ciocnire cu o altă moleculă sau cu peretele recipientului. Distanța medie dintre moleculele de aer în condiții normale este de aproximativ 10 –8 m, adică de sute de ori mai mare decât dimensiunea moleculelor. Interacțiunea slabă dintre molecule explică capacitatea gazelor de a se extinde și de a umple întregul volum al vasului. În limită, când interacțiunea tinde spre zero, ajungem la ideea unui gaz ideal.

Gaz ideal este un gaz ale cărui molecule nu interacționează între ele, cu excepția proceselor de coliziune elastică, și sunt considerate puncte materiale.

În teoria cinetică moleculară, cantitatea de materie este considerată proporțională cu numărul de particule. Unitatea de măsură a unei substanțe se numește mol (aluniță). Mol- aceasta este cantitatea de substanță care conține același număr de particule (molecule) cât există atomi în 0,012 kg de carbon 12 C. O moleculă de carbon este formată dintr-un atom. Astfel, un mol din orice substanță conține același număr de particule (molecule). Acest număr este numit constanta lui Avogadro: N A = 6,022·10 23 mol –1.

Constanta lui Avogadro este una dintre cele mai importante constante din teoria cinetică moleculară. Cantitatea de substanță este definit ca raportul dintre numărul N particule (molecule) de materie la constanta lui Avogadro N A, sau ca raport dintre masă și masa molară:

Masa unui mol dintr-o substanță se numește de obicei masă molară M. Masa molară este egală cu produsul masei m 0 dintr-o moleculă dintr-o substanță dată pe constantă Avogadro (adică pe număr de particule dintr-un mol). Masa molară este exprimată în kilograme pe mol (kg/mol). Pentru substanțele ale căror molecule constau dintr-un atom, termenul este adesea folosit masa atomica. În tabelul periodic, masa molară este indicată în grame pe mol. Astfel avem o altă formulă:

Unde: M- masa molara, N A – numărul lui Avogadro, m 0 – masa unei particule de materie, N– numărul de particule dintr-o substanță conținute în masa unei substanțe m. În plus, veți avea nevoie de concept concentratii(număr de particule pe unitate de volum):

Să ne amintim, de asemenea, că densitatea, volumul și masa unui corp sunt legate prin următoarea formulă:

Dacă problema implică un amestec de substanțe, atunci vorbim despre masa molară medie și densitatea medie a substanței. La fel ca atunci când se calculează viteza medie a mișcării neuniforme, aceste valori sunt determinate de masele totale ale amestecului:

Nu uitați că cantitatea totală a unei substanțe este întotdeauna egală cu suma cantităților de substanțe incluse în amestec și trebuie să aveți grijă la volum. Volumul amestecului de gaze Nu egală cu suma volumelor de gaze incluse în amestec. Deci, 1 metru cub de aer conține 1 metru cub de oxigen, 1 metru cub de azot, 1 metru cub de dioxid de carbon etc. Pentru solide și lichide (dacă nu se specifică altfel în condiție), putem presupune că volumul amestecului este egal cu suma volumelor părților sale.

Ecuația de bază a gazului ideal MKT

Pe măsură ce se mișcă, moleculele de gaz se ciocnesc continuu unele cu altele. Din această cauză, caracteristicile mișcării lor se modifică, prin urmare, atunci când vorbim despre impulsuri, viteze și energii cinetice ale moleculelor, ne referim întotdeauna la valorile medii ale acestor cantități.

Numărul de ciocniri ale moleculelor de gaz în condiții normale cu alte molecule este măsurat de milioane de ori pe secundă. Dacă neglijăm dimensiunea și interacțiunea moleculelor (ca în modelul gazului ideal), atunci putem presupune că între ciocniri succesive moleculele se mișcă uniform și rectiliniu. Desigur, atunci când se apropie de peretele vasului în care se află gazul, molecula experimentează și o coliziune cu peretele. Toate ciocnirile de molecule între ele și cu pereții recipientului sunt considerate ciocniri absolut elastice de bile. Când se ciocnește cu un perete, impulsul moleculei se modifică, ceea ce înseamnă că o forță acționează asupra moleculei din partea laterală a peretelui (amintiți-vă de a doua lege a lui Newton). Dar conform celei de-a treia legi a lui Newton, cu exact aceeași forță îndreptată în direcția opusă, molecula acționează asupra peretelui, exercitând presiune asupra acestuia. Totalitatea tuturor impacturilor tuturor moleculelor pe peretele vasului duce la apariția presiunii gazului. Presiunea gazului este rezultatul ciocnirii moleculelor cu pereții recipientului. Dacă nu există perete sau orice alt obstacol pentru molecule, atunci însuși conceptul de presiune își pierde sensul. De exemplu, este complet neștiințific să vorbim despre presiunea în centrul camerei, deoarece acolo moleculele nu apasă pe perete. Atunci de ce, atunci când plasăm un barometru acolo, suntem surprinși să aflăm că arată un fel de presiune? Corect! Pentru că barometrul însuși este chiar peretele pe care presează moleculele.

Deoarece presiunea este o consecință a impactului moleculelor asupra peretelui unui vas, este evident că valoarea acesteia ar trebui să depindă de caracteristicile moleculelor individuale (în ceea ce privește caracteristicile medii, desigur, vă amintiți că vitezele tuturor moleculelor sunt diferite. ). Această dependență este exprimată ecuația de bază a teoriei cinetice moleculare a unui gaz ideal:

Unde: p- presiunea gazului, n- concentrația moleculelor sale, m 0 - masa unei molecule, v kv - viteza pătratică medie (rețineți că ecuația în sine conține pătratul vitezei pătrate medii). Sensul fizic al acestei ecuații este că stabilește o legătură între caracteristicile întregului gaz (presiunea) și parametrii mișcării moleculelor individuale, adică legătura dintre macro și microlume.

Corolare din ecuația de bază MKT

După cum sa menționat deja în paragraful anterior, viteza de mișcare termică a moleculelor este determinată de temperatura substanței. Pentru un gaz ideal, această dependență este exprimată prin formule simple pentru viteza medie pătratică mișcarea moleculelor de gaz:

Unde: k= 1,38∙10 –23 J/K – constanta Boltzmann, T– temperatura absolută. Să facem imediat o rezervă că pe viitor, în toate problemele, ar trebui, fără ezitare, să convertiți temperatura în kelvin de la grade Celsius (cu excepția problemelor legate de ecuația de echilibru termic). Legea celor trei constante:

Unde: R= 8,31 J/(mol∙K) – constanta universală a gazului. Următoarea formulă importantă este formula pentru energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor de gaz:

Se dovedește că energia cinetică medie a mișcării de translație a moleculelor depinde numai de temperatură și este aceeași la o anumită temperatură pentru toate moleculele. Și, în sfârșit, cele mai importante și frecvent utilizate consecințe din ecuația de bază MKT sunt următoarele formule:

Măsurarea temperaturii

Conceptul de temperatură este strâns legat de conceptul de echilibru termic. Corpurile aflate în contact unele cu altele pot face schimb de energie. Energia transferată de la un corp la altul în timpul contactului termic se numește cantitatea de căldură.

Echilibru termic- aceasta este o stare a unui sistem de corpuri în contact termic în care nu există transfer de căldură de la un corp la altul, iar toți parametrii macroscopici ai corpurilor rămân neschimbați. Temperatură este un parametru fizic care este același pentru toate corpurile aflate în echilibru termic.

Folosit pentru a măsura temperatura dispozitive fizice– termometre la care valoarea temperaturii este judecată după modificarea unui parametru fizic. Pentru a crea un termometru, trebuie să selectați o substanță termometrică (de exemplu, mercur, alcool) și o cantitate termometrică care caracterizează proprietatea substanței (de exemplu, lungimea unei coloane de mercur sau alcool). Diverse modele de termometre utilizează diverse proprietăți fizice ale unei substanțe (de exemplu, o modificare a dimensiunilor liniare ale solidelor sau o modificare a rezistenței electrice a conductorilor atunci când sunt încălzite).

Termometrele trebuie calibrate. Pentru a face acest lucru, ele sunt aduse în contact termic cu corpuri ale căror temperaturi sunt considerate date. Cel mai adesea, se folosesc sisteme naturale simple în care temperatura rămâne neschimbată în ciuda schimbului de căldură cu mediul - un amestec de gheață și apă și un amestec de apă și abur la fierbere la presiunea atmosferică normală. Pe scara de temperatură Celsius, punctului de topire al gheții i se atribuie o temperatură de 0°C, iar punctul de fierbere al apei: 100°C. Modificarea lungimii coloanei de lichid în capilarele termometrului la o sutime din lungimea dintre semnele de 0°C și 100°C este luată egală cu 1°C.

Fizicianul englez W. Kelvin (Thomson) în 1848 a propus utilizarea punctului de presiune a gazului zero pentru a construi o nouă scară de temperatură (scala Kelvin). La această scară, unitatea de temperatură este aceeași ca și pe scara Celsius, dar punctul zero este deplasat:

În acest caz, o schimbare de temperatură de 1 °C corespunde unei schimbări de temperatură de 1 K. Schimbările de temperatură pe scările Celsius și Kelvin sunt egale. În sistemul SI, unitatea de temperatură măsurată pe scara Kelvin se numește kelvin și se notează cu litera K. De exemplu, temperatura camerei T C = 20°C pe scara Kelvin este T K = 293 K. Scara de temperatură Kelvin se numește scară de temperatură absolută. Se dovedește a fi cel mai convenabil atunci când construiești teorii fizice.

Ecuația de stare a unui gaz ideal sau ecuația Clapeyron-Mendeleev

Ecuația de stare a unui gaz ideal este o altă consecință a ecuației de bază MKT și este scrisă sub forma:

Această ecuație stabilește o relație între principalii parametri ai stării unui gaz ideal: presiunea, volumul, cantitatea de substanță și temperatura. Este foarte important ca acești parametri să fie interconectați; De aceea, această ecuație se numește ecuația de stare a unui gaz ideal. A fost descoperit mai întâi pentru un mol de gaz de către Clapeyron și, ulterior, generalizat la cazul mai multa cantitate alunițe de Mendeleev.

Dacă temperatura gazului este T n = 273 K (0°C) şi presiune p n = 1 atm = 1 10 5 Pa, atunci se spune că gazul este la conditii normale.

Legile gazelor

Rezolvarea problemelor pentru calcularea parametrilor gazului este mult simplificată dacă știți ce lege și ce formulă să aplicați. Deci, să ne uităm la legile de bază ale gazelor.

1. Legea lui Avogadro. Un mol din orice substanță conține același număr de elemente structurale, egal cu numărul lui Avogadro.

2. Legea lui Dalton. Presiunea unui amestec de gaze este egală cu suma presiunilor parțiale ale gazelor incluse în acest amestec:

Presiunea parțială a unui gaz este presiunea pe care ar produce-o dacă toate celelalte gaze ar dispărea brusc din amestec. De exemplu, presiunea aerului este egală cu suma presiunilor parțiale ale azotului, oxigenului, dioxidului de carbon și altor impurități. În acest caz, fiecare dintre gazele din amestec ocupă întregul volum furnizat acestuia, adică volumul fiecăruia dintre gaze este egal cu volumul amestecului.

3. Legea Boyle-Mariotte. Dacă masa și temperatura gazului rămân constante, atunci produsul dintre presiunea gazului și volumul acestuia nu se modifică, prin urmare:

Un proces care are loc la o temperatură constantă se numește izoterm. Vă rugăm să rețineți că aceasta formă simplă Legea Boyle-Marriott este îndeplinită numai dacă masa gazului rămâne neschimbată.

4. Legea lui Gay-Lussac. Legea lui Gay-Lussac în sine nu are o valoare deosebită atunci când ne pregătim pentru examene, așa că vom da doar un corolar din ea. Dacă masa și presiunea gazului rămân constante, atunci raportul dintre volumul gazului și temperatura sa absolută nu se modifică, prin urmare:

Un proces care are loc la presiune constantă se numește izobaric sau izobaric. Rețineți că această formă simplă a legii lui Gay-Lussac este valabilă numai dacă masa gazului rămâne constantă. Nu uitați de conversia temperaturii din grade Celsius în Kelvin.

5. Legea lui Charles. La fel ca legea lui Gay-Lussac, legea lui Charles în formularea sa exactă nu este importantă pentru noi, așa că vom oferi doar un corolar din ea. Dacă masa și volumul gazului rămân constante, atunci raportul dintre presiunea gazului și temperatura sa absolută nu se modifică, prin urmare:

Un proces care are loc la volum constant se numește izocor sau izocor. Rețineți că această formă simplă a legii lui Charles este valabilă numai dacă masa gazului rămâne constantă. Nu uitați de conversia temperaturii din grade Celsius în Kelvin.

6. Legea universală a gazelor (Clapeyron). La o masă constantă a unui gaz, raportul dintre produsul presiunii și volumului său față de temperatură nu se modifică, prin urmare:

Vă rugăm să rețineți că masa trebuie să rămână aceeași și nu uitați de kelvin.

Deci, există mai multe legi ale gazelor. Enumerăm semnele că trebuie să utilizați unul dintre ele atunci când rezolvați o problemă:

1. Legea lui Avogadro se aplică tuturor problemelor care implică numărul de molecule.
2. Legea lui Dalton se aplică tuturor problemelor care implică un amestec de gaze.
3. Legea lui Charles este folosită în problemele în care volumul de gaz rămâne constant. De obicei, acest lucru este fie menționat în mod explicit, fie problema conține cuvintele „gaz într-un vas închis fără piston”.
4. Legea lui Gay-Lussac se aplică dacă presiunea gazului rămâne neschimbată. Căutați în probleme cuvintele „gaz într-un vas închis de un piston mobil” sau „gaz într-un vas deschis”. Uneori nu se spune nimic despre navă, dar în funcție de stare este clar că comunică cu atmosfera. Apoi se presupune că presiunea atmosferică rămâne întotdeauna neschimbată (dacă nu se specifică altfel în condiție).
5. Legea Boyle-Marriott. Aici este cel mai dificil. Este bine dacă problema spune că temperatura gazului este constantă. Este puțin mai rău dacă cuvântul „lent” este inclus în condiție. De exemplu, un gaz este lent comprimat sau lent expandat. Este și mai rău dacă se spune că gazul este închis de un piston neconductor de căldură. În cele din urmă, este foarte rău dacă nu se spune nimic despre temperatură, dar din condiție se poate presupune că nu se schimbă. De obicei, în acest caz, studenții aplică legea Boyle-Marriott din disperare.
6. Legea universală a gazelor. Se utilizează dacă masa gazului este constantă (de exemplu, gazul se află într-un vas închis), dar în funcție de condiție este clar că toți ceilalți parametri (presiune, volum, temperatură) se modifică. În general, puteți folosi adesea ecuația Clapeyron-Mendeleev în loc de legea universală, veți obține răspunsul corect, doar că veți scrie două litere în plus în fiecare formulă;

Reprezentarea grafică a izoproceselor

În multe ramuri ale fizicii, este convenabil să descrieți grafic dependența cantităților unele de altele. Acest lucru facilitează înțelegerea relațiilor dintre parametrii care apar într-un sistem de proces. Această abordare este foarte des folosită în fizica moleculară. Principalii parametri care descriu starea unui gaz ideal sunt presiunea, volumul și temperatura. Metoda grafică de rezolvare a problemelor constă în reprezentarea relației acestor parametri în diferite coordonate ale gazului. Există trei tipuri principale de coordonate de gaz: ( p; V), (p; T) Și ( V; T). Rețineți că acestea sunt doar cele de bază (cele mai comune tipuri de coordonate). Imaginația scriitorilor de probleme și teste nu este limitată, așa că puteți întâlni orice alte coordonate. Deci, să descriem principalele procese de gaz în coordonatele principale ale gazului.

Procesul izobaric (p = const)

Un proces izobaric este un proces care are loc la presiune și masă constante de gaz. După cum rezultă din ecuația de stare a unui gaz ideal, în acest caz volumul se modifică direct proporțional cu temperatura. Grafice ale procesului izobar în coordonate r–V; V–TŞi r–T au urmatoarea forma:

V–T coordonatele sunt direcționate exact către origine, dar acest grafic nu poate începe niciodată direct de la origine, deoarece la temperaturi foarte scăzute gazul se transformă într-un lichid și dependența volumului de schimbările de temperatură.

Procesul izocor (V = const)

Un proces izocor este procesul de încălzire sau răcire a unui gaz la un volum constant și cu condiția ca cantitatea de substanță din vas să rămână neschimbată. După cum rezultă din ecuația de stare a unui gaz ideal, în aceste condiții presiunea gazului se modifică direct proporțional cu temperatura sa absolută. Grafice ale unui proces izocor în coordonate r–V; r–TŞi V–T au urmatoarea forma:

Vă rugăm să rețineți că continuarea graficului în p–T coordonatele sunt direcționate exact către origine, dar acest grafic nu poate începe niciodată direct de la origine, deoarece gazul se transformă în lichid la temperaturi foarte scăzute.

Proces izotermic (T = const)

Un proces izoterm este un proces care are loc la o temperatură constantă. Din ecuația de stare a unui gaz ideal rezultă că la o temperatură constantă și o cantitate constantă de substanță în vas, produsul presiunii gazului și volumul acestuia trebuie să rămână constant. Grafice ale unui proces izoterm în coordonate r–V; r–TŞi V–T au urmatoarea forma:

Rețineți că atunci când efectuați sarcini pe grafice în fizica moleculară Nu este necesară o precizie specială în trasarea coordonatelor de-a lungul axelor corespunzătoare (de exemplu, astfel încât coordonatele p 1 și p 2 două stări ale gazului în sistem p(V) a coincis cu coordonatele p 1 și p 2 dintre aceste state din sistem p(T). În primul rând, acestea sunt sisteme de coordonate diferite în care pot fi alese diferite scale și, în al doilea rând, aceasta este o formalitate matematică inutilă care distrage atenția de la principalul lucru - analiza situației fizice. Cerința principală: ca calitatea graficelor să fie corectă.

Nonizoprocese

În probleme de acest tip, toți cei trei parametri principali ai gazului se modifică: presiunea, volumul și temperatura. Doar masa gazului rămâne constantă. Cel mai simplu caz este dacă problema este rezolvată „direct” folosind legea universală a gazelor. Este puțin mai dificil dacă trebuie să găsiți o ecuație pentru un proces care descrie o schimbare a stării unui gaz sau să analizați comportamentul parametrilor gazului folosind această ecuație. Atunci trebuie să te comporți așa. Notați această ecuație a procesului și legea universală a gazelor (sau ecuația Clapeyron-Mendeleev, oricare este mai convenabil pentru dvs.) și eliminați în mod constant cantitățile inutile din ele.

Modificarea cantității sau masei unei substanțe

În esență, nu este nimic complicat în astfel de sarcini. Trebuie doar să vă amintiți că legile gazelor nu sunt îndeplinite, deoarece formulările oricăreia dintre ele spun „la masă constantă”. Prin urmare, acționăm simplu. Scriem ecuația Clapeyron-Mendeleev pentru stările inițiale și finale ale gazului și rezolvăm problema.

Deflectoare sau pistoane

În probleme de acest tip se aplică din nou legile gazelor și trebuie luate în considerare următoarele observații:

• În primul rând, gazul nu trece prin partiție, adică masa de gaz din fiecare parte a vasului rămâne neschimbată și, astfel, legile gazelor sunt îndeplinite pentru fiecare parte a vasului.
• În al doilea rând, dacă partiția este neconductoare de căldură, atunci când gazul este încălzit sau răcit într-o parte a vasului, temperatura gazului din a doua parte va rămâne neschimbată.
• În al treilea rând, dacă partiția este mobilă, atunci presiunile de pe ambele părți sunt egale la un moment dat în timp (dar această presiune, egală pe ambele părți, se poate schimba în timp).
• Și apoi scriem legile gazelor pentru fiecare gaz separat și rezolvăm problema.

Legile gazelor și hidrostatică

Specificul problemelor este că în presiune va fi necesar să se țină cont de „greutățile suplimentare” asociate cu presiunea coloanei de lichid. Ce optiuni ar putea exista:

• Un recipient care conține gaz este scufundat sub apă. Presiunea din vas va fi egală cu: p = p atm + ρgh, Unde: h– adâncimea de scufundare.
• Orizontală tubul este închis din atmosferă printr-o coloană de mercur (sau alt lichid). Presiunea gazului în tub este exact egală cu: p = p atm atmosferică, deoarece o coloană orizontală de mercur nu exercită presiune asupra gazului.
• Vertical tubul de gaz este închis în partea de sus cu o coloană de mercur (sau alt lichid). Presiunea gazului în tub: p = p atm + ρgh, Unde: h– înălțimea coloanei de mercur.
• Un tub îngust vertical care conține gaz este rotit cu capătul deschis în jos și este sigilat cu o coloană de mercur (sau alt lichid). Presiunea gazului în tub: p = p ATM - ρgh, Unde: h– înălțimea coloanei de mercur. Semnul „–” este folosit deoarece mercurul nu comprimă, ci întinde gazul. Elevii întreabă adesea de ce mercurul nu curge din tub. Într-adevăr, dacă tubul ar fi lat, mercurul ar curge pe pereți. Și astfel, deoarece tubul este foarte îngust, tensiunea superficială nu permite mercurului să se rupă în mijloc și să lase aerul să intre, iar presiunea gazului din interior (mai puțin decât cea atmosferică) împiedică mercurul să curgă afară.

Odată ce ați reușit să înregistrați corect presiunea gazului în tub, aplicați una dintre legile gazelor (de obicei Boyle-Mariotte, deoarece majoritatea acestor procese sunt izoterme sau legea universală a gazelor). Aplicați legea aleasă pentru gaz (în niciun caz pentru lichid) și rezolvați problema.

Expansiunea termică a corpurilor

Pe măsură ce temperatura crește, intensitatea mișcării termice a particulelor unei substanțe crește. Acest lucru face ca moleculele să se respingă mai „activ” unele pe altele. Din această cauză, majoritatea corpurilor cresc în dimensiune atunci când sunt încălzite. Nu faceți greșeala tipică; atomii și moleculele înșiși nu se extind atunci când sunt încălzite. Doar spațiile goale dintre molecule cresc. Expansiunea termică a gazelor este descrisă de legea lui Gay-Lussac. Dilatarea termică a lichidelor respectă următoarea lege:

Unde: V 0 – volum de lichid la 0°C, V– la temperatură t, γ – coeficientul de dilatare volumetrică a lichidului. Vă rugăm să rețineți că toate temperaturile din acest subiect trebuie luate în grade Celsius. Coeficientul de dilatare volumetrică depinde de tipul de lichid (și de temperatură, care nu este luată în considerare în majoritatea problemelor). Vă rugăm să rețineți că valoarea numerică a coeficientului, exprimată în 1/°C sau 1/K, este aceeași, deoarece încălzirea unui corp cu 1°C este aceeași cu încălzirea lui cu 1 K (și nu cu 274 K).

Pentru expansiunea solidelor Sunt utilizate trei formule pentru a descrie modificarea dimensiunilor liniare, a ariei și a volumului unui corp:

Unde: l 0 , S 0 , V 0 – lungimea, suprafața și volumul corpului la 0°C, respectiv, α – coeficientul de dilatare liniară a corpului. Coeficientul de dilatare liniară depinde de tipul corpului (și de temperatură, care nu este luată în considerare în majoritatea problemelor) și se măsoară în 1/°C sau 1/K.

Implementarea cu succes, diligentă și responsabilă a acestor trei puncte vă va permite să arătați un rezultat excelent la CT, maximul de care sunteți capabil.

Ați găsit o greșeală?

Dacă credeți că ați găsit o eroare în materiale educaționale, atunci vă rugăm să scrieți despre asta prin e-mail. De asemenea, puteți raporta o eroare către retea sociala(). În scrisoare, indicați subiectul (fizică sau matematică), numele sau numărul subiectului sau testului, numărul problemei sau locul din text (pagină) în care, în opinia dumneavoastră, există o eroare. De asemenea, descrieți care este eroarea suspectată. Scrisoarea dvs. nu va trece neobservată, eroarea fie va fi corectată, fie vi se va explica de ce nu este o eroare.