gordiplom.ru

Рефераты, дипломные работы и прочие учебные работы.

Изопроцессы в газах

Изопроцессы в газах

Характер молекулярного движения в газах – беспорядочное (хаотическое) движение. Когда в газе происходят какие-либо процессы, то обычно изменяются все три его параметра: p , V , T . Естественно, что наиболее просты такие процессы, которые протекают при изменении только двух параметров, а третий остается постоянным.

Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, называют изопроцессами.

Правда, в действительности ни один процесс не может протекать при строго фиксированном значении какого-либо параметра.

Всегда имеются те или иные воздействия, нарушающие постоянство температуры, давления или объема. Лишь в лабораторных условиях удается поддерживать постоянство того или иного параметра с хорошей точностью, но в действующих технических устройствах и в природе это практически неосуществимо.

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

Уравнение состояние идеального газа Состояния данной массы газа характеризуется тремя макроскопическими параметрами: давлением, объемом, температурой. В данной главе рассмотрим между ними связь, а затем посмотрим, для чего эта связь нужна.

Уравнение состояния идеального газа – называется такое уравнение, которое связывает три макроскопических параметра давление P , объем V и температуру T , для достаточно разряженного газа.

Выведем уравнение состояния идеального газа. Для этого подставим в уравнение: ( 1 ) выражение для концентрации молекул газа можно записать так: ( 2 ) где -постоянная Авогадро, m – масса газа, M – его молярная масса. После подстановки ( 2 ) в ( 1 ) будем иметь ( 3 ) где k – постоянная Больцмана . Произведение постоянной Больцмана k и постоянной Авогадро называется универсальной (молярной) газовой постоянной и обозначается буквой R . Подставим универсальную газовую постоянную в уравнение ( 3 ), получим уравнение состояния для произвольной массы идеального газа: ( 4 ) Единственная величина в этом уравнении ( 4 ), зависящая от рода газа, это его молярная масса.

Уравнение ( 4 ) называется уравнение состояния идеального газа или уравнение Менделеева – Клапейрона. Из уравнения состояния вытекает связь между давлением, объемом и температурой идеального газа, который может находиться в двух любых состояниях. Если индекс 1 обозначить параметры, относящиеся к первому состоянию, а индекс 2 - параметры, относящиеся ко второму состоянию, то согласно уравнению ( 4 ) для газа данной массы: Правые части этих уравнений одинаковы, следовательно, должны быть равны и их левые части: ( 5 ) Уравнение состояние в форме ( 5 ) называется уравнением Клапейрона и представляет собой одну из форм записи уравнения состояния. Таким образом, для данной массы газа, как бы ни менялись его давление, объем и температура, произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру, есть величина постоянная.

Изотермический процесс Процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре называется изотермическим . Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой – термостатом.

Термостатом может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса. Из уравнения состояния идеального газа ( 4 ) следует, что при постоянной температуре Т и неизменных значениях массы газа m и его молярной массы M произведение давления Р газа на его объем V должно оставаться постоянным: PV = const при T = const Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется . Изотермический процесс можно осуществить, например, путем изменения объема газа при постоянной температуре. Этот закон экспериментально был открыт английским ученым Р. Бойлем (1627-1691) и несколько позже французским ученым Э. Мариоттом (1620-1684). Поэтому он носит название закона Бойля – Мариотта. Закон Бойля – Мариотта справедлив для любых газов, а также и для их смесей (например, для воздуха). Лишь при давлениях, в несколько сотен раз больших атмосферного, отклонения от этого закона становятся существенными.

Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре графически изображается кривой, которая называется изотермой . Изотерма газа изображается обратно пропорциональную зависимость между давление и объемом.

Кривая такого рода называется гипербола ( рис.1 ). Рис.1 График зависимости между давлением и объемом газа при постоянной температуре Разным постоянным температурам соответствуют различные изотермы. При повышении температуры давление согласно уравнению состояния ( 4 ) увеличивается, если V = const . Поэтому изотерма, соответствующая более высокой температуре лежит выше изотермы, соответствующей более низкой температуре В системах координат p , T ( рис.2 ) и V , T ( рис.3 ) изотермический процесс изображается прямой, параллельной соответственно оси p или V . Эти прямые также изотермы.

Третий параметр ( V или p ) не сохраняет вдоль них постоянного значения. Рис.2 График изотермического процесса в координатах p , T Рис.3 График изотермического процесса в координатах V , T Изотермический процесс протекает медленно, так как он обусловлен теплообменом с окружающей средой.

Изобарический процесс Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называется изобарным . Изобарный процесс протекает при неизменном давлении p и условии m = const и M = const . Согласно уравнению ( 4 ) в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объема газа к его температуре остается постоянным: где V – объем газа при абсолютной температуре T , V 0 – объем газа при температуре 0 0 С ; коэффициент , равный 1/273 К -1 , называется температурным коэффициентом объемного расширения газов . Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется. Этот закон был установлен экспериментально в 1802г. французским ученым Ж. Гей-Люссаком (1778 – 1850) и носит название закон Гей-Люссака . Формулу закона Гей-Люссака можно переписать в виде: Таким образом, при неизменной массе газа и постоянном давлении его объем с повышением температуры на 1 градус увеличивается на 1/273 часть того объема, который газ занимает при 273К (0 0 С). Графически такой процесс изображается прямой с помощью координатных осей V , T продолжение которой проходит через начало координат.

Называют эту прямую изобарой ( рис.4 ). Рис.4 Графическая зависимость изобарического процесса Угол ее наклона к оси температур зависит от давления газа: чем больше давление, тем меньше угол наклона ( p 3 > p 2 > p 1 ). Различным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объем газа при постоянной температуре согласно закону Бойле - Мариотта уменьшается.

Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению p 2 , лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению p 1 . Следовательно, при одной и той же температуре газ будет занимать тем больший объем, чем меньше его давление. На диаграммах с координатными осями p , V или p , T изобары имеют вид прямых, параллельных оси Т или, соответственно оси V ( рис.5, рис.6 ). Рис.5 График изобарического процесса в координатах p , T Рис.6 График изобарического процесса в координатах p , V Изобарным можно считать расширение газа при нагревании его в цилиндре с подвижным поршнем.

Постоянство давления в цилиндре обеспечивается атмосферным давлением на внешнюю поверхность поршня.

Изохорический процесс Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным . Изохорный процесс, протекающий при неизменном объеме V и условии m = const и M = const . При этих условиях из уравнения состояния идеального газа ( 4 ) вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объемом отношение давления газа к его температуре остается постоянным: Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется. Этот газовый закон был установлен в 1787г. французским физиком Ж. Шарлем (1746 – 1823) и носит название закон Шарля . График уравнения изохорного процесса называется изохорой.

Изохора, изображенная в прямоугольной системе координат по оси ординат которой отсчитывается давление газа, а по оси абсцисс – его абсолютная температура, является прямой, проходящей через начало координат ( рис.7 ). Рис.7 Графическая зависимость изохорического процесса Угол наклона изохоры к оси температур тем больше, чем меньше объем газа ( V 3 > V 2 > V 1 ). Разные объемам соответствуют разные изохоры. С ростом объема газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля – Мариотта падает.

Поэтому изохора, соответствующая большому объему V 2 , лежит ниже изохоры, соответствующей объему V 1 . В системах координат p , V и V , T изохора имеет вид прямой, параллельной оси p или, соответственно, Т ( рис.8, рис.9 ). Рис.8 График изохорического процесса в координатах p , V Рис.9 График изохорического процесса в координатах V , T Увеличение давления газа в любой емкости или в электрической лампочке при нагревании является изохорным процессом.

Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема. Также изохорный процесс можно осуществить при нагревании воздуха при постоянном объеме.

Адиабатический процесс Кроме изобарного, изохорного и изотермического процессов, в термодинамике часто рассматриваются адиабатные процессы.

Адиабатным процессом называется процесс, происходящий в термодинамической системе при отсутствии теплообмена с окружающими телами, то есть при условии Q = 0 . Отсутствие теплообмена с окружающей средой может быть обеспечено хорошей теплоизоляцией газа.

Быстрые процессы расширения или сжатия газа могут быть близкими к адиабатическому и при отсутствии теплоизоляции, если время, за которое происходит изменение объема газа, значительно меньше времени, необходимого для установления теплового равновесия газа с окружающими телами.

Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа U равно работе внешних сил А: U = А Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура повышается. При адиабатном расширении газ совершает работу А ' за счет уменьшения своей внутренней энергии: U = - А' Поэтому температура газа при адиабатном расширении понижается. Это можно обнаружить в следующем опыте. Если в бутылку, содержащую насыщенный водяной пар, накачивать с помощью насоса воздух, то пробка вылетает.

Работа А' по выталкиванию пробки совершается воздухом за счет уменьшения его внутренней энергии, так как расширение воздуха происходит за очень короткое время и теплообмен с окружающей средой не успевает произойти.

Образование капель тумана доказывает, что при адиабатном расширении воздуха его температура понизилась и опустилась ниже точки росы.

Поскольку при адиабатном сжатии температура газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растет быстрее, чем при изотермическом процессе.

Понижение температуры газа при адиабатном расширении приводит к тому, что давление газа убывает быстрее, чем при изотермическом расширении.

График адиабатного процесса в координатных осях p , V представлен на ( рис.10 ). Рис.10 График адиабатного процесса в координатных p , V На этом же рисунке для сравнения приведен график изотермического процесса.

Адиабатное охлаждение газов при их расширении используется в машинах для сжижения газов.

Охлаждение газа при адиабатном расширении происходит в грандиозных масштабах в атмосфере Земли.

независимая оценка автомобиля для наследства в Твери
оценка для нотариуса в Орле
оценка стоимости недвижимости в Калуге

Менеджмент (Теория управления и организации)

Экономическая теория, политэкономия, макроэкономика

Микроэкономика, экономика предприятия, предпринимательство

Политология, Политистория

Геология

Материаловедение

Международные экономические и валютно-кредитные отношения

Философия

Медицина

География, Экономическая география

Авиация

Педагогика

Экономика и Финансы

Государственное регулирование, Таможня, Налоги

Архитектура

Уголовное право

Административное право

Бухгалтерский учет

Теория государства и права

Литература, Лингвистика

Компьютерные сети

Радиоэлектроника

Технология

Право

Прокурорский надзор

Гражданское право

Промышленность и Производство

Музыка

История

Финансовое право

История отечественного государства и права

Нероссийское законодательство

Экскурсии и туризм

Пищевые продукты

Культурология

Уголовное и уголовно-исполнительное право

Конституционное (государственное) право России

Банковское право

Маркетинг, товароведение, реклама

Программирование, Базы данных

Астрономия

Техника

Химия

Программное обеспечение

Физкультура и Спорт, Здоровье

Религия

Компьютеры, Программирование

Уголовный процесс

Законодательство и право

Ценные бумаги

Компьютеры и периферийные устройства

Военное дело

Здоровье

Математика

Физика

Транспорт

Охрана природы, Экология, Природопользование

Космонавтика

Геодезия

Психология, Общение, Человек

Биология

Искусство

Разное

История государства и права зарубежных стран

Муниципальное право России

Гражданское процессуальное право

Социология

Сельское хозяйство

Налоговое право

Римское право

Трудовое право

Охрана правопорядка

Конституционное (государственное) право зарубежных стран

Металлургия

Международное право

Криминалистика и криминология

Правоохранительные органы

Страховое право

Ветеринария

Физкультура и Спорт

Арбитражно-процессуальное право

Нотариат

Астрономия, Авиация, Космонавтика

Историческая личность

Банковское дело и кредитование

Подобные работы

Вывод уравнения Шрёдингера

echo "Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта - испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение.

Вывод уравнения Шредингера

echo "Эйнштейн воспользовался квантовой теорией для объяснения некоторых аспектов фотоэлектрического эффекта - испускания электронов поверхностью металла, на которую падает ультрафиолетовое излучение.

Тепловые двигатели и их применение

echo "Паровые машины Паросиловая станция. Р абота этих двигателей производится посредством пара. В огромном большинстве случаев — это водяной пар, но возможны машины, работающие с парами других вещест

Актинометрические измерения

echo "Определяемые виды радиации при попадании на приемную поверхность этих приборов преобразуются в электрический ток, который измеряется гальванометром. Поэтому при нахождении радиационных потоков

Изопроцессы в газах

echo "Характер молекулярного движения в газах – беспорядочное (хаотическое) движение. Когда в газе происходят какие-либо процессы, то обычно изменяются все три его параметра: p , V , T . Естественно,