Давление идеального газа, теория и онлайн калькуляторы
Давление идеального газа
Определение давления идеального газа
Определение
Давление идеального газа – это один из самых важных макроскопических параметров, при помощи которого характеризуют состояние
системы в молекулярной физике.
Обозначают давление буквой $p$. Если для известной массы идеального газа определены давление и температура (или объем), то полагают, что состояние термодинамической системы в состоянии равновесия определяется однозначно, так как существующие законы и уравнения молекулярно кинетической теории (МКТ) позволяют все остальные параметры вычислить.
В общем случае давление определяют как:
[p={mathop{lim }_{Delta Sto 0} frac{Delta F_n}{Delta S} }left(1right),]
где $F_n$ проекция силы на нормаль к поверхности S данная сила оказывает воздействие, $Delta S$- площадь поверхности.
Идеальный газ оказывает давление на стенки сосуда, в котором он находится, за счет того, что молекулы этого газа движутся и ударяются о стенки сосуда. Давление идеального газа можно найти, применяя основные положение МКТ. При этом получают, что давление идеального газа равно:
[p=frac{1}{3}nm_0{leftlangle v_{kv}rightrangle }^2left(2right),]
где $m_0$ – масса одной молекулы газа; $n$- концентрация молекул газа; $leftlangle v_{kv}rightrangle =sqrt{frac{1}{N}sumlimits^N_{i=1}{v^2_i}}, N $- количество молекул в объеме газа равном $V$. Уравнение (2) называют основным уравнением МКТ. Его можно записать в другом виде, используя среднюю кинетическую энергию молекул ($leftlangle E_krightrangle $):
[p=frac{2}{3}nleftlangle E_krightrangle left(3right).]
С таким важным термодинамическим параметром как термодинамическая температура давление связывает формула:
[p=nkT left(4right),]
где $k$ – постоянная Больцмана. Уравнение (4) называют уравнением состояния идеального газа.
Если проводить изохорный процесс ($V=const$) с некоторой массой идеального газа, то давление его будет подчинено закону Шарля:
[p_2=p_1frac{T_2}{T_1}left(5right),]
где $p_1$- давление газа имеющего температуру $T_1$.
При проведении изотермического процесса ($T=const$) c постоянной массой некоторого газа поведение давления можно характеризовать, используя уравнение:
[p_1V_1=p_2V_2left(6right).]
В соответствии с законом Дальтона давление смеси газов можно найти как сумму давлений каждого газа:
[p=sumlimits^N_{i=1}{p_i} left(7right),]
где $p_i$ – давление каждого газа в отдельности.
Уравнения МКТ, содержащие давление идеального газа
Уравнение Менделеева – Клапейрона (еще один вариант уравнения состояния):
$pV=frac{m}{mu }RT$(8),
где $frac{m}{mu }=nu $ -количество вещества; $m$ – масса газа; $mu $- молярная масса газа; $R$ – универсальная газовая постоянная.textit{}
Определение работы газа в термодинамике:
[A=intlimits^{V_2}_{V_1}{pdV}left(9right).]
Соответственно, первое начало термодинамики для идеального газа в дифференциальном виде запишем как:
[delta Q=pdV+frac{i}{2}nu RdTleft(10right),]
где $i$ – число степеней свободы молекулы газа; $delta Q$ – элементарное количество теплоты, которое получает идеальный газ; $frac{i}{2}nu RdT=dU$ – изменение внутренней энергии термодинамической системы.textit{}
Примеры задач с решением
Пример 1
Задание. В идеальном газе проводят процесс, при котором $p=frac{AU}{V},$ где $U$ – внутренняя энергия газа; $A=const$ для определенного газа. Сравните коэффициенты пропорциональности $A$, если в первом случае газ одноатомный, во втором двух атомный. textit{}
Решение. Внутренняя энергия идеального газа для любого процесса равна:
[U=frac{i}{2}nu RT left(1.1right).]
Состояние идеального газа описывает уравнение Менделеева – Клайперона:
[pV=nu RT left(1.2right).]
Подставим правую часть уравнения, которое описывает заданный в условиях задачи процесс ($p=frac{AU}{V}$) вместо давления в (1.2), имеем:
[frac{AU}{V}V=nu RT left(1.3right).]
Получим из (1.3), что внутренняя энергия вычисляется как:
[U=frac{1}{A}nu RTleft(1.4right).]
Сравним выражения для внутренней энергии (1.1) и (1.4), имеем:
[frac{i}{2}=frac{1}{A}left(1.5right).]
Для одноатомного газа $i=3$; для двухатомного газа (без учета колебаний молекул) $i=5$.
[frac{3}{2}=frac{1}{A_1};; frac{5}{2}=frac{1}{A_2}to frac{A_2}{A_1}=frac{3}{2}cdot frac{2}{5}=frac{3}{5}.]
Ответ. $frac{A_2}{A_1}=frac{3}{5}$
Пример 2
Задание. На рис.1 представлены процессы, проводимые с постоянной массой идеального газа, укажите, как изменяются давления в процессах?
Решение. Уравнение процесса можно аналитически описать уравнением:
[V(T)=AT-B left(2.1right),]
где $A$ и $B$ положительные постоянные величины.
Состояние газа определим при помощи уравнения Менделеева – Клапейрона:
[pV=nu RT left(2.2right).]
Вместо объема подставим уравнение процесса в (2.2):
[pleft(AT-Bright)=nu RTleft(2.3right).]
Раздели обе части (2.3) на температуру:
[frac{pleft(AT-Bright)}{T}=nu Rto pleft(A-frac{B}{T}right)=nu Rto p=frac{nu R}{A-frac{B}{T}} left(2.4right).]
Из уравнения (2.4) следует, что при увеличении температуры $frac{B}{T}$ уменьшается, следовательно, знаменатель дроби правой части выражения (2.4) увеличивается, значит, давление уменьшается.
Ответ. Давление в заданном процессе уменьшается.
Читать дальше: диэлектрический гистерезис.
236
проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности
Мы помогли уже 4 396 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!
Как вычислить давление газа
Для решения некоторых физических задач бывает необходимо рассчитывать давление газа. При этом в задаче может упоминаться как окружающий воздух и пары вещества, так и газ, который находится в сосуде. Как именно вычислить давление газа, зависит от того, какие параметры заданы в задаче.
Вам понадобится
- – формулы для расчета давления газа.
Инструкция
Найдите давление идеального газа при наличии значений средней скорости молекул, массы одной молекулы и концентрации вещества по формуле P=⅓nm0v2, где n – концентрация (в граммах или молях на литр), m0 – масса одной молекулы.
Если в условии дана плотность газа и средняя скорость его молекул, рассчитайте давление по формуле P=⅓ρv2, где ρ — плотность в кг/м3.
Вычислите давление, если вы знаете температуру газа и его концентрацию, используя формулу P=nkT, где k – постоянная Больцмана (k=1,38·10-23 моль·К-1), Т — температура по абсолютной шкале Кельвина.
Найдите давление из двух равноценных вариантов уравнения Менделеева-Клайперона в зависимости от известных значений: P=mRT/MV или P=νRT/V, где R – универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/моль·К), ν — количество вещества в молях, V – объем газа в м3.
Если в условии задачи указана средняя кинетическая энергия молекул газа и его концентрация, найдите давление с помощью формулы P=⅔nEк, где Eк — кинетическая энергия в Дж.
Найдите давление из газовых законов — изохорного (V=const) и изотермического (T=const), если дано давление в одном из состояний. При изохорном процессе отношение давлений в двух состояниях равно отношению температур: P1/P2=T1/T2. Во втором случае, если температура остается постоянной величиной, произведение давления газа на его объем в первом состоянии равно тому же произведению во втором состоянии: P1·V1=P2·V2. Выразите неизвестную величину.
Рассчитайте давление из формулы внутренней энергии идеального одноатомного газа: U=3·P·V/2, где U – внутренняя энергия в Дж. Отсюда давление будет равняться: P=⅔·U/V.
При расчете парциального давления пара в воздухе, если в условии даны температура и относительная влажность воздуха, выразите давление из формулы φ/100=Р1/Р2, где φ/100 — относительная влажность, Р1 — парциальное давление водяного пара, Р2 — максимальное значение паров воды при данной температуре. В ходе расчета пользуйтесь таблицами зависимости максимальной упругости пара (максимального парциального давления) от температуры в градусах Цельсия.
Полезный совет
Используйте барометр-анероид или ртутный барометр для более точного значения, если вам необходимо вычислить давление газа в ходе эксперимента или лабораторной работы. Для измерения давления газа в сосуде или баллоне пользуйтесь обычным или электронным манометром.
Источники:
- Давление и плотность насыщенного водяного пара в зависимости от температуры — таблица
- формула давления газа
Войти на сайт
или
Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.
Перейти к контенту
Условие задачи:
Каково давление одноатомного газа, занимающего объем 2 л, если его внутренняя энергия 300 Дж?
Задача №5.4.14 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»
Дано:
(V=2) л, (U=300) Дж, (p-?)
Решение задачи:
Внутреннюю энергию идеального одноатомного газа (U) определяют по формуле:
[U = frac{3}{2}nu RT;;;;(1)]
Запишем уравнение Клапейрона-Менделеева:
[pV = nu RT]
Тогда формулу (1) можно перезаписать в виде:
[U = frac{3}{2}pV]
Откуда выразим неизвестное давление газа (p):
[p = frac{{2U}}{{3V}}]
Объем газа (V) переведём в систему СИ:
[2;л = 0,002;м^3]
Посчитаем ответ:
[p = frac{{2 cdot 300}}{{3 cdot 0,002}} = 100000;Па = 0,1;МПа]
Ответ: 0,1 МПа.
Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.
Смотрите также задачи:
5.4.13 Вычислить работу, которую совершают 2 моля идеального газа при изобарном
5.4.15 На сколько изменится давление идеального одноатомного газа, если его внутреннюю
5.4.16 Во сколько раз изменится внутренняя энергия идеального газа, если его давление
( 7 оценок, среднее 5 из 5 )
Числом степеней свободы механической системы называют количество независимых величин, с помощью которых может быть задано положение системы.
Внутренняя энергия идеального газа представляет собой сумму только кинетической энергии всех молекул, а потенциальной энергией взаимодействия можно пренебречь:
U=∑Ek0=NEk0=mNAM·ikT2=i2·mMRT=i2νRT=i2pV
i — степень свободы. i = 3 для одноатомного (или идеального) газа, i = 5 для двухатомного газа, i = 6 для трехатомного газа и больше.
Изменение внутренней энергии идеального газа в изопроцессах
| Основная формула |
ΔU=32·mMRT=32νRT=32νR(T2−T1) |
| Изотермический процесс |
ΔU=0 Температура при изотермическом процессе — величина постоянная. Так как внутренняя энергия идеального газа постоянной массы в замкнутой системе зависит только от изменения температуры, то она тоже остается постоянной. |
| Изобарное расширение |
ΔU=32νR(T2−T1)=32(pV2−pV1)=32pΔV |
| Изохорное увеличение давления |
ΔU=32νR(T2−T1)=32(p2V−p1V)=32VΔp |
| Произвольный процесс |
ΔU=32νR(T2−T1)=32(p2V2−p1V1) |
Пример №1. На рисунке показан график циклического процесса, проведенного с идеальным газом. На каком из участков внутренняя энергия газа уменьшалась?
Внутренняя энергия газа меняется только при изменении температуры. Так как она прямо пропорциональная температуре, то уменьшается она тогда, когда уменьшается и температура. Температура падает на участке 3.
Работа идеального газа
Если газ, находящийся под поршнем, нагреть, то, расширяясь, он поднимет поршень, т.е. совершит механическую работу.
Механическая работа вычисляется по формуле:
A=Fscosα
Перемещение равно разности высот поршня в конечном и начальном положении:
s=h2−h1
Также известно, что сила равна произведению давления на площадь, на которое это давление оказывается. Учтем, что направление силы и перемещения совпадают. Поэтому косинус будет равен единице. Отсюда работа идеального газа равна произведению давления на площадь поршня:
Работа идеального газа
F=pS
p — давление газа, S — площадь поршня
Работа, необходимая для поднятия поршня — полезная работа. Она всегда меньше затраченной работы, которая определяется изменением внутренней энергии идеального газа при изобарном расширении:
A‘=p(V2−V1)=pΔV>0
Внимание! Знак работы определяется только знаком косинуса угла между направлением силы, действующей на поршень, и перемещением этого поршня.
Работа идеального газа при изобарном сжатии:
A‘=p(V2−V1)=pΔV<0
Работа идеального газа при нагревании газа:
A‘=νRΔT=νR(T2−T1)=mMνRΔT
Внимание! В изохорном процессе работа, совершаемая газом, равна нулю, так как работа газа определяется изменением его объема. Если изменения нет, работы тоже нет.
Геометрический смысл работы в термодинамике
В термодинамике для нахождения работы можно вычислить площадь фигуры под графиком в осях (p, V).
Примеры графических задач
| Изобарное расширение:
A‘=p(V2−V1) A‘>0 |
 |
| Изобарное сжатие:
A‘=p(V2−V1) A‘<0 |
 |
| Изохорное охлаждение:
V=const A‘=0 |
 |
|
Изохорное охлаждение и изобарное сжатие: 1–2: A‘=0 2–3: A‘=pΔV<0 |
 |
| Замкнутый цикл:
1–2: A‘>0 2–3: A‘=0 3–4: A‘<0 4–1: A‘=0 A‘=(p1−p3)(V2−V1) |
 |
| Произвольный процесс:
A‘=p1+p22(V2−V1) |
 |
Пример №2. На pV-диаграмме показаны два процесса, проведенные с одним и тем же количеством газообразного неона. Определите отношение работ A2 к A1 в этих процессах.
Неон — идеальный газ. Поэтому мы можем применять формулы, применяемые для нахождения работы идеального газа. Работа равна площади фигуры под графиком. С учетом того, что в обоих случаях изобарное расширение, получим:
A2=p(V2−V1)=4p(5V−3V)=4p2V=8pV
A1=p(V2−V1)=p(5V−V)=4pV
Видно, что работа, совершенная во втором процессе, вдвое больше работы, совершенной газом в первом процессе.
Задание EF17505
Идеальный одноатомный газ переходит из состояния 1 в состояние 2 (см. диаграмму). Масса газа не меняется. Как изменяются при этом следующие три величины: давление газа, его объём и внутренняя энергия?
Для каждой величины подберите соответствующий характер изменения:
1) увеличивается
2) уменьшается
3) не изменяется
Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.
Алгоритм решения
- Определить по графику, как меняется давление.
- Определить, как меняется объем.
- Определить, отчего зависит внутренняя энергия газа, и как она меняется в данном процессе.
Решение
На графике идеальный одноатомный газ изотермически сжимают, так как температура остается неизменной, а давление увеличивается. При этом объем должен уменьшаться. Но внутренняя энергия идеального газа определяется его температурой. Так как температура постоянна, внутренняя энергия не изменяется.
Ответ: 123
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17758
Один моль аргона, находящийся в цилиндре при температуре T1=600 K и давлении p1=4⋅105 Па, расширяется и одновременно охлаждается так, что его температура при расширении обратно пропорциональна объёму. Конечное давление газа p2=105 Па. Какое количество теплоты газ отдал при расширении, если при этом он совершил работу A=2493 Дж?
Алгоритм решения
1.Записать исходные данные.
2.Записать уравнение состояния идеального газа.
3.Записать формулу для расчета внутренней энергии газа.
4.Используя первое начало термодинамики, выполнить общее решение задачи.
5.Подставив известные данные, вычислить неизвестную величину.
Решение
Запишем исходные данные:
• Начальная температура газа: T1 = 600 К.
• Начальное давление: p1 = 4∙105 Па.
• Конечное давление: p2 = 105 Па.
• Работа, совершенная газом: A = 2493 Дж.
Аргон является одноатомным газом. Поэтому для него можно использовать уравнение состояния идеального газа:
pV=νRT
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа пропорциональна температуре:
U=32νRT
Внутренняя энергия аргона до расширения и после него:
U1=32νRT1
U2=32νRT2
Согласно условию задачи, температура при расширении обратно пропорциональна объёму. Следовательно:
T=constV
T1V1=T2V2
Выразим конечную температуру:
T2=T1V1V2
Составим уравнение состояния газа для состояний аргона 1 и 2:
p1V1=νRT1
p2V2=νRT2
Отсюда:
νR=p1V1T1=p2V2T2
Отсюда отношение объема аргона в состоянии 1 к объему газа в состоянии 2 равно:
V1V2=p2T1p1T2
Подставим это отношение в формулу для конечной температуры:
T2=T1V1V2=p2T12p1T2
Отсюда:
T2=T1√p2p1
Отсюда внутренняя энергия газа в состоянии 2 равна:
U2=32νRT1√p2p1
Уменьшение внутренней энергии аргона составило (изначально она была выше):
ΔU=U1−U2=32νRT1−32νRT1√p2p1=32νRT1(1−√p2p1)
В соответствии с первым началом термодинамики уменьшение внутренней энергии равно сумме совершённой работы и количества теплоты, отданного газом:
ΔU=Q+A
Следовательно, газ отдал следующее количество теплоты:
Q=ΔU−A=32νRT1(1−√p2p1)−A
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Задание EF17966
Идеальный газ переводят из состояния 1 в состояние 3 так, как показано на графике зависимости давления газа от объёма. Работа, совершённая при этом газом, равна
Ответ:
а) р0V0
б) 2р0V0
в) 4р0V0
г) 6р0V0
Алгоритм решения
1.Определить, на каком участке графика совершается работа.
2.Записать геометрический смысл работы.
3.Извлекая данные из графика, вычислить работу, совершенную газом.
Решение
Работа совершается только тогда, когда газ меняет объем. Поэтому работа совершается только на участке 1–2.
Работа идеального газа равна площади фигуры, заключенной под графиком термодинамического процесса в координатах (p, V).
Давление газа при этом равно 2p0, а объем равен разности 2V0 и V0. Следовательно, работа, совершенная газом, будет равна произведению:
A=2p0(2V0−V0)=2p0V0
Ответ: б
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор
Алиса Никитина | Просмотров: 14.9k
На этой странице вы можете рассчитать внутреннюю энергию идеального газа с помощью калькулятора онлайн или самостоятельно по формулам.
Содержание:
- калькулятор внутренней энергии идеального газа
- внутренняя энергия идеального газа через массу, молярную массу и температуру
- внутренняя энергия идеального газа через давление и объем
- внутренняя энергия идеального газа через количество вещества и температуру
- внутренняя энергия идеального газа через степени свободы
- степени свободы идеальных газов
Формула внутренней энергии идеального газа через массу, молярную массу и температуру
{U = dfrac{3}{2} cdot dfrac{m}{M} cdot R T}
U – внутренняя энергия газа
m – масса газа
M – молярная масса газа
R – универсальная газовая постоянная R = 8,314 462 618 153 24 Дж/(моль∙К)
T – абсолютная температура газа
Формула внутренней энергии идеального газа через давление и объем
{U = dfrac{3}{2} cdot p V}
U – внутренняя энергия газа
p – давление газа
V – объем газа
Формула внутренней энергии идеального газа через количество вещества и температуру
{U = dfrac{3}{2} cdot nu RT}
U – внутренняя энергия газа
ν – количество вещества (в молях)
R – универсальная газовая постоянная R = 8,314 462 618 153 24 Дж/(моль∙К)
T – абсолютная температура газа
Формула внутренней энергии идеального газа через степени свободы
{U = dfrac{i}{2} cdot nu RT}
U – внутренняя энергия газа
i – количество степеней свободы
ν – количество вещества (в молях)
R – универсальная газовая постоянная R = 8,314 462 618 153 24 Дж/(моль∙К)
T – абсолютная температура газа
Количество степеней свободы молекулы идеального газа
Число степеней свободы (i) – наименьшее число независимых координат, которое необходимо ввести, чтобы определить положение тела в пространстве.
- для одноатомного газа (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, оганесон и т. д.) i=3;
- для двухатомного газа (водород, азот, кислород, фтор, хлор и т. д.) i=5;
- для трехатомного газа i=6;
- для многоатомного (>3) газа i=6;
