Давление газа 7 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей
Особенности молекулярного строения газов
Прежде чем непосредственно перейти к изучению давления газа, вспомним, какие особенности имеет расположение и движение молекул, из которых газ состоит.
Во-первых, молекулы газа движутся беспорядочно, хаотично.
Во-вторых, расстояния между молекулами достаточно большие по сравнению с размерами молекул.
В-третьих, вследствие большого расстояния между молекулами, силы притяжения между ними пренебрежимо малы, а силы отталкивания становятся заметными только при столкновениях молекул. Столкновения могут происходить как между самими молекулами, так и между молекулами и стенками сосуда (рис. 1).
Рис. 1. Движение молекул газа в сосуде
Если взять воздушный шарик и немного его надуть, то он приобретет округлую форму, равномерно надуваясь со всех сторон (рис. 2).
Рис. 2. Надутый шарик имеет округлую форму
Такая форма шарика объясняется тем, что молекулы газа оказывают давление не так, как молекулы твердых тел.
Ведь молекулы газа движутся хаотично. Поэтому молекулы воздуха, которым наполнен шарик, ударяются о внутренние стенки оболочки шарика одинаково во всех направлениях. А значит, и давление воздуха не сосредотачивается на каких-то определенных участках оболочки, а равномерно распределяется по всей ее поверхности.
Итак, давление газа объясняется ударами его молекул о стенки сосуда, в котором находится газ.
Зависимость давления газа от объема
Убедимся в том, что молекулы газа действительно расположены достаточно далеко друг от друга, и поэтому газы хорошо сжимаемы.
Возьмем шприц и расположим его поршень приблизительно посередине цилиндра. Отверстие шприца соединим с трубкой, второй конец которой наглухо закрыт. Таким образом, некоторая порция воздуха будет заключена в цилиндре шприца под поршнем и в трубке (рис. 3).
Рис. 3. В цилиндре под поршнем заключено некоторое количество воздуха
Теперь поставим на подвижный поршень шприца груз.
Легко заметить, что поршень немного опустится. Это означает, что объем воздуха уменьшился (рис. 4). Другими словами, газы (в нашем случае воздух) легко сжимаются. Таким образом, между молекулами газа имеются достаточно большие промежутки.
Рис. 4. Помещение груза на поршень вызывает уменьшение объема газа
С другой стороны, после установки груза поршень, немного опустившись, останавливается в новом положении равновесия. Это означает, что сила давления воздуха на поршень (направленная вверх) увеличивается и снова уравновешивает возросший вес поршня с грузом (направленный вниз). А поскольку площадь поршня при этом остается неизменной, мы приходим к важному заключению.
При уменьшении объема газа его давление увеличивается.
Будем помнить при этом, что масса газа и его температура в ходе опыта оставались неизменными.
Объяснить зависимость давления от объема можно следующим образом. При увеличении объема газа расстояние между его молекулами увеличивается.
Каждой молекуле теперь нужно пройти большее расстояние от одного удара со стенкой сосуда до другого. Средняя скорость движения молекул остается неизменной (если температура газа не меняется). Следовательно, молекулы газа реже ударяются о стенки сосуда, а это приводит к уменьшению давления газа. И, наоборот, при уменьшении объема газа его молекулы чаще ударяются о стенки сосуда, и давление газа увеличивается (рис. 5).
Рис. 5. При уменьшении объема газа расстояние между его молекулами уменьшается
Зависимость давления газа от температуры
В предыдущих опытах температура газа оставалась неизменной, и мы изучали изменение давления вследствие изменения объема газа. Теперь рассмотрим случай, когда объем газа остается постоянным, а температура газа изменяется. Масса при этом также остается неизменной. Создать такие условия можно, поместив некоторое количество газа в цилиндр с поршнем и закрепив поршень (рис. 6).
Рис. 6. Изменение температуры данной массы газа при неизменном объеме
Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы газа.
Следовательно,
- во-первых, чаще происходят удары молекул о стенки сосуда;
- во-вторых, средняя сила удара каждой молекулы о стенку становится больше.
Это приводит нас к еще одному важному заключению.
При увеличении температуры газа его давление увеличивается.
Будем помнить, что данное утверждение справедливо, если масса и объем газа в ходе изменения его температуры остаются неизменными.
Хранение и транспортировка газов
Зависимость давления газа от объема и температуры часто используется в технике и в быту. Если требуется перевезти значительное количество газа из одного места в другое, или когда газы необходимо длительно хранить, их помещают в специальные прочные металлические сосуды. Эти сосуды выдерживают высокие давления, поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем (рис.
7).
Рис. 7. Баллоны для хранения газов
Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать (например, держать под прямыми лучами солнца) или любым способом пытаться сделать в них отверстие даже после использования.
Заключение
Мы выяснили, что давление газов объясняется подвижностью молекул газа и ударами молекул о стенки сосудов, в которых газы заключены. Давление газа зависит от того, какой объем занимает данный газ, от его температуры и массы.
Список литературы
- Перышкин А. В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А. В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
- Лукашик В. И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.
Дополнительные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (Источник)
- Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов (Источник)
Домашнее задание
Лукашик В.
И., Иванова Е. В. Сборник задач по физике для 7–9 классов
№462–465, 467, 472–474, 476–478.
Реальные и идеальные газы | Физика. Закон, формула, лекция, шпаргалка, шпора, доклад, ГДЗ, решебник, конспект, кратко
Загрузка…
Газ — это состояние вещества, в котором оно не имеет собственной формы и заполняет весь предоставленный ему объем; его молекулы находятся в постоянном хаотическом движении и взаимодействуют лишь при столкновениях между собой и стенками сосуда, в котором они находятся.
По молекулярным представлениям, газы состоят из атомов или молекул, расстояние между которыми значительно превышает их размеры. Именно поэтому силы взаимодействия между молекулами газов практически отсутствуют, а следовательно, молекулы газов не удерживаются друг возле друга, а постоянно хаотически перемещаются. Взаимодействие между ними фактически происходит лишь при кратковременных столкновениях.
При обычных условиях собственный объем молекул газа значительно меньше объема сосуда, в котором он находится. В связи с этим газы легко сжимаются. Они не имеют собственной формы и заполняют весь объем сосуда, в котором находятся.
Большинство уравнений и законов справедливы для идеального газа — упрощенной модели реальных газов. Прежде всего, это касается взаимодействия между молекулами — оно должно быть настолько малым, что им можно пренебречь. При таких условиях учитывается лишь кинетическая энергия молекул, поскольку потенциальная энергия их взаимодействия практически равна нулю.
Загрузка…
Следующее ограничение касается размера молекул. Поскольку взаимодействие молекул идеального газа сводится лишь к кратковременным столкновениям, то размер молекул не влияет на давление и температуру газа. Поэтому молекулы идеального газа можно считать материальными точками.
Идеальный газ — это модель газа, которая предусматривает пренебрежение размерами молекул и их взаимодействием; молекулы такого газа находятся в свободном беспорядочном движении, иногда сталкиваясь с другими молекулами или стенками сосуда, в котором они находятся.
Реальные газы приобретают такие свойства при значительном разрежении, когда среднее расстояние между молекулами намного больше их размера. При таких условиях практически отсутствуют силы притяжения, а силы отталкивания действуют лишь при кратковременных столкновениях молекул между собой.
Молекулярно-кинетическая теория накладывает ряд ограничений на реальный газ, благодаря которым его можно считать идеальным. Это газ, размерами и взаимодействием молекул которого можно пренебречь.
На этой странице материал по темам:
Модели реального газа шпора
Молекулярная физика газов, загрязнение
Реальные газы шпаргалка
Объясните , почему газ не имеет собственной формы и собственного объема
Реальные газы физика
Вопросы по этому материалу:
Объясните на основании молекулярно-кинетических представлений, почему газы не имеют собственной формы?
Дайте определение идеального газа.
Какие ограничения содержит модель реального газа в данном случае?При каких условиях свойства реальных газов приближаются к свойствам идеального газа?
Материал с сайта http://WorldOfSchool.ru
Газовые законы – Гиперучебник по физике
[закрыть]
введение
Законы о газах представляют собой набор интуитивно очевидных утверждений для большинства жителей современного западного мира. Трудно поверить, что когда-то их не понимали. И все же кто-то должен был заметить эти отношения и записать их. По этой причине многих студентов учат трем наиболее важным газовым законам по именам их первооткрывателей. Однако, поскольку законы известны под разными названиями в разных странах и (что более важно) поскольку я никогда не могу вспомнить, кто получает признание за какой закон, не обращаясь к примечаниям, я не буду следовать этому соглашению.
давление-объем (постоянная температура)
Что происходит с объемом газа при изменении давления на него.
Давайте попробуем следующий эксперимент, используя оборудование, которое может быть найдено на вашей кухне.
Зефир представляет собой смесь сахара, воздуха и желатина. Сахар делает их сладкими, воздух делает их пушистыми, а желатин делает их эластичными. Зефир представляет собой застывшую пену и в основном состоит из воздуха. При помещении в вакуумный насос они расширяются при снижении давления. Сломайте печать на их контейнере, и они сожмутся при возвращении к нормальному атмосферному давлению. Поскольку вакуумный насос натягивает зефир достаточно сильно, чтобы лопнуть часть пузырьков воздуха, в конце этого эксперимента они на самом деле становятся немного меньше и сморщиваются. Это иллюстрирует фундаментальное, но важное свойство газов.
| Р ∝ | 1 | ( T константа) |
| В |
или
P 1 В 1 = P 2 В 2 9003 5 9003 константа
Эта корреляция была открыта независимо друг от друга Робертом Бойлем (1627–1691) из Ирландии в 1662 году и Эдме Мариоттом (1620–1684) из Франции в 1676 году. В Великобритании, Америке, Австралии, Вест-Индии и других остатках Британской империи она называется
Мариотт добавил важное условие, что температура остается постоянной. Бойль не упомянул об этом, но данные, которые он использовал для вывода своего закона, скорее всего, были собраны в период, когда температура не претерпевала значительных изменений.
Поскольку газ должен находиться в тепловом равновесии с окружающей средой (или каким-либо другим резервуаром тепла) для поддержания постоянной температуры, соотношение давление-объем обычно применяется только к «медленным» процессам. Показанный выше зефирно-вакуумный эксперимент является примером «медленного» процесса. Давление снижается достаточно медленно, чтобы тепло окружающей среды могло поддерживать температуру банки и ее содержимого почти при комнатной температуре. Такое превращение, происходящее без изменения температуры, называется
Накачка велосипедной шины ручным насосом является примером «быстрого» процесса. Работа, совершаемая толканием поршня, преобразуется в увеличение внутренней энергии (и, следовательно, повышение температуры) молекул воздуха внутри насоса. Люди, знакомые с ручными велосипедными насосами, подтвердят, что после использования они сильно нагреваются. Точно так же, когда газ расширяется в область пониженного давления, он воздействует на свое окружение.
объем-температура (постоянное давление)
Что происходит с объемом газа при изменении его температуры? Давайте попробуем еще один кухонный эксперимент.
| [тесто] | [хлеб] |
Проведите этот эксперимент дома. Сделай это ! Хлеб готовится из пшеничной муки, воды, дрожжей и небольшого количества сахара. Дрожжи – это крошечные микроорганизмы. Вполне возможно, что это первые одомашненные животные, и, подобно собакам и лошадям, дрожжи были выведены для разных целей. Так же, как у нас есть сторожевые собаки, комнатные собаки и охотничья собака; ломовые лошади, скаковые лошади и боевые лошади; у нас также есть пивные дрожжи, дрожжи для шампанского и хлебные дрожжи. Хлебные дрожжи были специально выведены для поедания сахара и выделения углекислого газа (CO 2 ). Когда пшеничную муку и воду смешивают и замешивают, молекулы белка превращаются в пюре и растягиваются до тех пор, пока они не выстраиваются в аккуратную линию, образуя вещество, называемое глютеном, которое, подобно жевательной резинке, одновременно эластично и пластично. Дайте этой специальной матрице отстояться, и CO 2 , выпущенный из дрожжей, застрянет в тысячах крошечных эластичных карманов.
По мере того, как этот процесс продолжается, эти крошечные карманы расширяются, что приводит к увеличению или увеличению объема теста в процессе, называемом 9.0075 проверка . Теперь у нас есть пушистая липкая капля, готовая для духовки.
Пока там тесто снова расширяется, но его время это не из-за действия микроорганизмов (они все погибают около температуры кипения воды). На этот раз это жара, точнее температура. Температура внутри хлебопекарной печи примерно на 50% выше (в абсолютном выражении), чем температура снаружи. И точно так же хлеб, выпеченный из хлебопекарной печи, также примерно на 50% больше, чем тесто комнатной температуры, которое входит в нее. Этот домашний пример довольно хорошо иллюстрирует фундаментальное свойство газов. Объем газа прямо пропорционален его температуре при постоянном давлении. Символично…
В ∝ T ( P константа)
Хотя, без сомнения, миллиарды пекарей неформально знали и понимали это на заре цивилизации, точное математическое соотношение было впервые обнаружено французским физиком Гийомом Амонтоном (1663–1705) в 1699 году.
Много позже эксперимент повторил Жак Шарль (1746). –1823) в 1787 году и много, много позже Жозефом Гей-Люссаком (1778–1850) в 1802 году. Шарль не опубликовал свои выводы, но Гей-Люссак опубликовал. Чаще всего его называют Закон Шарля в британской сфере влияния и Закон Гей-Люссака во Франции, но никогда не закон Амонтона.
Изобарический процесс происходит без изменения давления .
Давайте вспомним, что это значит, когда две величины прямо пропорциональны, как объем и температура. Нагрейте газ, и его объем увеличится. Охладите его, и его объем уменьшится. Обе величины изменяются в одном направлении. Более конкретно, увеличение одного приводит к пропорциональному увеличению другого, а уменьшение одного приводит к пропорциональному уменьшению другого. Например…
- Удвоение абсолютной температуры воздуха в цилиндре двигателя удвоит его объем.
- Уменьшение вдвое абсолютной температуры воздуха в пакете с картофельными чипсами приведет к уменьшению его первоначального объема наполовину.
- Абсолютная температура хлебной печи в полтора раза выше комнатной температуры. Таким образом, буханка выпеченного хлеба, вынутая из печи, имеет на 50 % больше объема, чем шарик теста, попавший в нее.
Где-то здесь работает симметрия. Симметрия — это изменение одной величины, при котором другая, более фундаментальная величина остается неизменной. Это как умножение числителя и знаменателя дроби на одно и то же.
| и | ⎛ ⎜ ⎝ | х | ⎞ ⎟ ⎠ | = | a x | = | и | |
| б | х | б x | б |
Нет, подождите, это именно так. Две величины могут изменяться прямо пропорционально только в том случае, если их отношение остается постоянным.
Таким образом…
| В 1 | = | В 2 | = константа |
| Т 1 | Т 2 |
давление-температура (постоянный объем)
Исправьте и это.
Давление газа прямо пропорционально его температуре при постоянном объеме. Символически…
Р ∝ T ( В константа)
Изохорный процесс — это процесс, который происходит без каких-либо изменений в объеме .
На самом деле у этой зависимости нет названия, но я слышал, что ее называют «законом давления» или (ошибочно) «законом Гей-Люссака».
Температура падает на 6 °C на каждые 1 000 м высоты.
| Р 1 | = | Р 2 | = константа |
| Т 1 | Т 2 |
абсолютная температура
В 1703 году Амонтон заявил… ?
Удвойте комнатную температуру, 293 К = 20 °С, и вы получите 586 К = 313 °С, а не 40 °С.
полный закон идеального газа
Утверждения о пропорциональности сегодня в 21 веке не так популярны, как в 19 веке и ранее. Мы живем в эпоху, когда все решает уравнение. В этом фокусе есть и хорошее, и плохое. Уравнения передают много информации с помощью нескольких символов, поэтому они так популярны, но они также являются костылем; прием, используемый для поддержки слабого понимания и придания ему силы. Уравнения могут использоваться учеником без понимания для имитации компетентности.
“Я подставил числа в уравнение и получил правильный ответ. Раз у меня есть правильный ответ, значит, я умный.”
Квалифицированный? Безусловно. Умная? Не обязательно.
Тем не менее, было бы неплохо иметь под рукой уравнение для тех случаев, когда все, что вы хотите сделать, это просто выполнить работу с минимумом хлопот.
Объедините три вместе.
| Р 1 В 1 | = | П 2 В 2 | = константа |
| Т 1 | Т 2 |
Есть два способа записать полную формулировку закона идеального газа в виде уравнения…
функциональная термодинамика
PV = нРТ
где…
| Р = | абсолютное давление |
| Т = | абсолютная температура |
| В = | том |
и
| n = | число родинок |
| Ч = | газовая постоянная = |
статистическая термодинамика
PV = НКТ
где…
| Р = | абсолютное давление |
| Т = | абсолютная температура |
| В = | том |
и
| N = | количество частиц |
| к = | постоянная Больцмана = |
газов (физика): определение, свойства и примеры
Обновлено 29 января 2020 г.
Автор: Эми Дасто
Воздух, которым мы дышим и по которому ежедневно перемещаемся, гелий в наших воздушных шарах на день рождения и метан, используемый для отопления дома, — все это распространенные примеры газов. Газ является одним из трех основных агрегатных состояний вещества, наряду с твердым и жидким.
Состояния материи
Состояния материи различаются в зависимости от того, насколько плотно упакованы частицы — следствие того, какой большой кинетической энергией они обладают — что приводит к различным характеристикам.
В твердом состоянии вещество наиболее плотно упаковано. Молекулы в твердом теле удерживаются вместе атомными связями и притяжением. В результате они вибрируют на месте, а не свободно перемещаются. Твердые тела имеют определенные формы и объемы, и их нелегко сжать; то есть они достаточно хорошо держат форму.
В жидком состоянии вещество менее плотно упаковано, чем в твердом, благодаря более слабым межмолекулярным связям.
В присутствии гравитационного поля жидкость принимает форму своего сосуда; в отсутствие гравитации он принимает сферическую форму.
В газообразном состоянии вещество слабо взаимодействует само с собой. Частицы могут перемещаться совершенно свободно. В результате газы принимают форму и объем той емкости, в которой они находятся. Откройте духовку после выпечки пирога, и газ, который был внутри, распространится по всему дому, так что запах пирога будет ощущаться во всех комнатах.
Новейшее состояние материи, известное физикам, — плазма, состояние, при котором разрушаются сами атомы, из которых состоит материя. Плазма возникает только при экстремальных температурах и давлениях, например, в центре Солнца. Поскольку в этих условиях электроны отрываются от атомов, плазма оказывается смесью свободных электронов, оставшихся положительно заряженных ионов и нейтральных атомов. С точки зрения поведения плазма ведет себя как газ, но из-за вовлеченных зарядов она также обладает электромагнитными свойствами.
Фазовые превращения
Материя может переходить из одного состояния в другое в зависимости от условий давления и температуры. Такое преобразование известно как фазовый переход . Например, твердая вода в виде льда при нагревании до температуры кипения будет таять в жидкую воду, которая, в свою очередь, испарится в водяной пар с еще большим добавлением тепла.
Противоположностью испарения является конденсация. Когда газ конденсируется, он становится жидкостью.
Твердое тело может перейти непосредственно в газообразное состояние вещества, претерпев сублимация . Сублимация происходит, когда твердое тело находится при определенном давлении ниже его тройной точки на фазовой диаграмме. Например, сухой лед (твердый углекислый газ) сублимируется при нагревании до одной атмосферы, в отличие от «обычного» льда (воды), который просто превращается в жидкость при нагревании до одной атмосферы.
Определение газа
Формальное физическое описание газа — это вещество, которое не имеет определенного объема (также называемого фиксированным объемом) или определенной формы.
Вместо этого газ примет форму своего сосуда, потому что молекулы газа могут свободно перемещаться друг мимо друга.
Знаменитая гипотетическая задача, созданная выдающимся физиком элементарных частиц Энрико Ферми, помогает проиллюстрировать это. Ферми попросил своих студентов приблизительно определить, сколько молекул предсмертного вздоха Цезаря человек может встретить сегодня при каждом своем вдохе. Если предположить, что последний вздох римского императора к настоящему времени равномерно распространился по земному шару (и не был повторно поглощен океаном или растениями), расчеты показывают, что современные живые существа вдыхают примерно одну молекулу его предсмертного вздоха с каждым из них.
Хотя жидкость также может принимать форму сосуда, жидкость не может изменить свой объем без посторонней помощи. Но газ всегда будет расширяться, чтобы заполнить свой контейнер, и, наоборот, его можно сжать в меньший контейнер.
Физические свойства газов
Важным измерением для описания газа является давление .
Давление газа — это сила, приходящаяся на единицу площади, с которой газ действует на свой сосуд. Большее давление ведет к большей силе, и наоборот.
Например, велосипедная шина, накачанная до высокого давления, снаружи кажется жесткой и жесткой. С другой стороны, шина низкого давления оказывает меньшее внешнее усилие, и в результате она кажется более гибкой и мягкой.
Другой ключевой характеристикой газа является его температура . Температура газа определяется как мера средней кинетической энергии на молекулу газа. Поскольку все молекулы вибрируют, все они обладают некоторой кинетической энергией.
Чтобы определить, является ли вещество газообразным, необходимы как давление, так и температура. Некоторые материалы являются газами только при высоких температурах, тогда как другие являются газами при низких температурах или комнатной температуре. Между тем, некоторые материалы являются только газами при высоких температурах и низкого давления.
Фазовая диаграмма показывает состояние вещества для данного вещества при различных сочетаниях температуры и давления.
Примеры газов
Вокруг нас много газов. Углекислый газ, распространенный парниковый газ, выделяется при сжигании топлива для обеспечения многих видов деятельности человечества. Когда жидкая вода испаряется, она становится паром или водяным паром — процесс, который происходит на плитах и в лужах на улице под солнцем.
Смесь газов, известная как воздух, которая обычно состоит из 78 процентов азота, 21 процента кислорода и 1 процента других газов, окружает всех земных существ и обменивается с их телами через дыхательную систему. При дыхании многие животные извлекают кислород из воздуха и выделяют из своего тела углекислый газ, в то время как многие растения поступают наоборот, поглощая углекислый газ и выделяя кислород.
Идеальный газ
Чтобы лучше объяснить поведение газов, физики любят аппроксимировать, как вели бы себя газы, если бы они состояли из множества точечных частиц, движущихся по прямым линиям и не испытывающих межмолекулярных сил — другими словами, не взаимодействующих ни с одной еще один.