Молекулярная физика в формулах

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся

Молекулярная физика в формулах

Основные формулы термодинамики и молекулярной физики, которые вам пригодятся. Еще один отличный день для практических занятий по физике. Сегодня мы соберем вместе формулы, которые чаще всего используются при решении задач в термодинамике и молекулярной физике.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Итак, поехали. Попытаемся изложить законы и формулы термодинамики кратко.

Идеальный газ

Идеальный газ – это идеализация, как и материальная точка. Молекулы такого газа являются материальными точками, а соударения молекул – абсолютно упругие. Взаимодействием же молекул на расстоянии пренебрегаем. В задачах по термодинамике реальные газы часто принимаются за идеальные. Так гораздо легче жить, и не нужно иметь дела с массой новых членов в уравнениях.

Итак, что происходит с молекулами идеального газа? Да, они движутся! И резонно спросить, с какой скоростью? Конечно, помимо скорости молекул нас интересует еще и общее состояние нашего газа. Какое давление P он оказывает на стенки сосуда, какой объем V занимает, какая у него температура T.

Для того, чтобы узнать все это, есть уравнение состояния идеального газа, или уравнение Клапейрона-Менделеева

Здесь m – масса газа, M – его молекулярная масса (находим по таблице Менделеева), R – универсальная газовая постоянная, равная 8,3144598(48) Дж/(моль*кг).

Универсальная газовая постоянная может быть выражена через другие константы (постоянная Больцмана и число Авогадро)

Массу, в свою очередь, можно вычислить, как произведение плотности и объема.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ)

Как мы уже говорили, молекулы газа движутся, причем, чем выше температура – тем быстрее. Существует связь между давлением газа и средней кинетической энергией E его частиц. Эта связь называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории и имеет вид:

Здесь n – концентрация молекул (отношение их количества к объему), E – средняя кинетическая энергия. Найти их, а также среднюю квадратичную скорость молекул можно, соответственно, по формулам:

Подставим энергию в первое уравнение, и получим еще один вид основного уравнения МКТ

Первое начало термодинамики. Формулы для изопроцессов

Напомним Вам, что первый закон термодинамики гласит: количество теплоты, переданное газу, идёт на изменение внутренней энергии газа U и на совершение газом работы A. Формула первого закона термодинамики записывается так:

Как известно, с газом что-то происходит, мы можем сжать его, можем нагреть. В данном случае нас интересуют такие процессы, которые протекают при одном постоянном параметре. Рассмотрим, как выглядит первое начало термодинамики в каждом из них.

Кстати! Для всех наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Изотермический процесс протекает при постоянной температуре. Тут работает закон Бойля-Мариотта: в изотермическом процессе давление газа обратно пропорционально его объёму. В изотермическом процессе:

Изохорный процесс протекает при постоянном объеме. Для этого процесса характерен закон Шарля: При постоянном объеме давление прямо пропорционально температуре. В изохорном процессе все тепло, подведенное к газу, идет на изменение его внутренней энергии.

Изобарный процесс идет при постоянном давлении. Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном давлении газа его объём прямо пропорционален температуре. При изобарном процессе тепло идет как на изменение внутренней энергии, так и на совершение газом работы.

Адиабатный процесс. Адиабатный процесс – это такой процесс, который проходит без теплообмена с окружающей средой. Это значит, что формула первого закона термодинамики для адиабатного процесса выглядит так:

Теплоемкость

Удельная теплоемкость равна количеству теплоты, которое необходимо для нагревания одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Помимо удельной теплоемкости, есть молярная теплоемкость (количество теплоты, необходимое для нагревания одного моля вещества на один градус) при постоянном объеме, и молярная теплоемкость при постоянном давлении. В формулах ниже, i – число степеней свободы молекул газа. Для одноатомного газа i=3, для двухатомного – 5.

Тепловые машины. Формула КПД в термодинамике

Тепловая машина, в простейшем случае, состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Нагреватель сообщает тепло рабочему телу, оно совершает работу, затем охлаждается холодильником, и все повторяется вновь. Типичным примером тепловой машины является двигатель внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по формуле

Вот мы и собрали основные формулы термодинамики, которые пригодятся в решении задач. Конечно, это не все все формулы из темы термодинамика, но их знание действительно может сослужить хорошую службу. А если возникнут вопросы  – помните о студенческом сервисе, специалисты которого готовы в любой момент прийти на выручку.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/osnovnye-formuly-termodinamiki-i-molekulyarnoj-fiziki-kotorye-vam-prigodyatsya/

Молекулярная физика в формулах

Молекулярная физика в формулах

Определение 1

Молекулярная физика представляет специальный раздел, ориентированный на изучение физических свойств тел на основании детального рассмотрения их молекулярного строения. Задачи в молекулярной физике решаются с привлечением методов статистической механики, а также физической кинетики и термодинамики.

Их связывают с исследованием движения и взаимодействия частиц, таких как молекулы, ионы и атомы, которые составляют физические тела.

Молекулярная физика своей целью ставит исследование свойств тел, руководствуясь при этом поведением отдельно взятых молекул. Все видимые процессы здесь протекают на уровне взаимодействующих друг с другом мельчайших частиц, при этом все заметное невооруженным глазом считается только следствием этих тонких связей.

Основные формулы молекулярной физики

Принцип актуальности формул молекулярной физики направлен на установление связи между разными параметрами системы. К основным формулам такого раздела относят:

  • уравнение Клапейрона (с описанием состояния идеального газа);
  • законы физиков Бойля, Гей-Люссака и Шарля.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Уравнение Клапейрона записывается таким образом:

$pV = nRT$, где:

  • $р$ — давление,
  • $n$ — количество вещества в молях,
  • $R$ — универсальная газовая постоянная,
  • $T$ — температура (в кельвинах),
  • $V$ — занимаемый газом объем.

Из этой формулы посредством простых преобразований формулируются и другие законы состояния:

$pV = const$ (закон Бойля-Мариотта, применимый к изотермическому процессу)

$\frac{V}{T} = const$ (первый закон Гей-Люссака, применимый к изобарическому процессу);

$\frac{p}{T} = const$ (закон Шарля, применимый к изохорическому процессу).

Формулы для термодинамики и статистической физики

Статистическая физика представляет также раздел молекулярной физики. Здесь действуют следующие формулы:

$Q = mc(t_2-t_1)$

$Q = A + (U_2 – U_1)$

$H = TdS + Vdp$

Здесь $H$ — энтальпия.

$V=\frac{dG}{dpS}$, где:

  • $G$ представляет энергию Гиббса (термодинамический потенциал).
  • $S$ — энтропия (величина, введенная ученым Клаузиусом).

Процессы в молекулярной физике и их формулы

Замечание 1

Всем понятиям и процессам присущи собственные обозначения, при этом их описывают специальные формулы, которые более наглядно отображают взаимодействия друг с другом определенных параметров. Процессы и явления будут пересекаться в своих проявлениях, различные формулы при этом могут содержать одинаковые по значению величины и выражаться посредством разных способов.

Количество вещества является определяющим для взаимосвязи веса (массы) и количества молекул, которые и будет содержать данная масса.

Это обусловлено наличием разного числа минимальных частиц при одинаковой массе для различных веществ.

Процессы, осуществляемые на молекулярном уровне, могут пониматься исключительно при рассмотрении количества атомных единиц – непосредственных участников взаимодействий.

Формула для определения количества вещества:

$v = \frac{N}{N_A}$, где:

  • $m$ — масса,
  • $N$ — число молекул,
  • $N_A$ число Авогадро.

Молекулы представляют сложные системы, обладающие многоступенчатым строением. Для упрощения рассмотрим газовые частицы в сосуде в формате упругих однородных шариков, не взаимодействующих при этом друг с другом (это будет идеальный газ). Формула выглядит так:

$P = nkT$, где:

  • $n$ —концентрация молекул;
  • $T$ —абсолютная температура.

Определить количество частиц $d$ в данной массе вещества возможно такой формулой:

$v = \frac{N}{Na}$

Отсюда получается, что число молекул будет определять следующая формула:

$N = vNa$

Один моль всегда будет содержать равное количество минимальных частиц. Таким образом, зная массу моля, возможно разделить ее на число молекул (число Авогадро), с получением в итоге массы системной единицы:

$m = \frac{M}{Na}$

Следует учитывать отношение данной формулы исключительно к неорганическим молекулам. Что касается молекул органического типа, то их размеры намного больше, а их величине или весу свойственны совсем иные значения.

Молярная масса представляет массу в килограммах одного моля вещества. В связи с содержанием в одном моле одинакового количества структурных единиц, формулу молярной массы получаем такую:

$M = κM_r$, где:

  • $k$ — коэффициент пропорциональности;
  • $M_r$ — атомная масса вещества.

Молярная масса газа рассчитывается по уравнению Менделеева-Клапейрона:

$pV = \frac{mRT}{M}$

Тогда получаем такую формулу:

$M = \frac{mRT}{pV}$

Формулы, которые содержатся в термодинамике и в молекулярной физике, позволяют вычислять количественные значения для всех процессов, выполняемых в отношении твердых веществ и газов. Такие расчеты важны как для теоретических изысканий, так и в практическом применении, поскольку ориентированы на решение разноплановых задач.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/molekulyarnaya_fizika_v_formulah/

Тема 2. Молекулярная физика и термодинамика. — Материалы для подготовки к вступительным экзаменам в СГГА

Молекулярная физика в формулах

Основные понятия Количество вещества измеряется в молях (n). n — число молей

1 моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же частиц, сколько атомов содержится в 0,012 кг углерода . Число молекул в одном моле вещества численно равно постоянной Авогадро NA. 

NA=6,022 1023 1/моль.

1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем V=2,24 10-2  м3. М – молярная масса (масса моля) – величина, равная отношению массы вещества m к количеству вещества n:
mo – масса одной молекулы, m – масса взятого количества вещества
 — число молекул в данном объеме.

Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории.

Основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа является уравнение:

, р – давление газа на стенки сосуда, n – концентрация молекул, — средняя квадратичная скорость движения молекул. Давление газа р можно определить по формулам:
,- средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул, Т – абсолютная температура, K=1,38 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана., где =8,31 Дж/моль × К,   R – универсальная газовая постоянная
Т=373+to С,  to С – температура по Цельсию.
Например, t=27o С, Т=273+27=300 К.
Смесь газов Если в объеме V находится не один газ, а смесь газов, то давление газа р определяется законом Дальтона: смесь газов оказывает на стенки давление, равное сумме давлений каждого из газов, взятых в отдельности:, — давление, оказываемое на стенки 1-ым газом р1, вторым р2 и т.д. n — число молей смеси, .

Уравнение Клапейрона-Менделеева, изопроцессы.

Состояние идеального газа характеризуют давлением р, объемом V, температурой Т. [p]=Паскаль (Па), [V]=м3, [T]=Кельвин (К).

Уравнение состояния идеального газа:

, для одного моля газа const=R – универсальная газовая постоянная. — уравнение Менделеева-Клапейрона. Если масса m постоянная, то различные процессы, происходящие в газах, можно описать законами, вытекающими из уравнения Менделеева-Клапейрона.

1. Если m=const, T=const – изотермический процесс.

Уравнение процесса: 

График процесса: 

 

 2. Если m=const, V=const – изохорический процесс.

Уравнение процесса: .

График процесса: 

 3. Если m=const, p=const – изобарический процесс.

Уравнение процесса: 

График процесса:

4. Адиабатический процесс – процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Это очень быстрый процесс расширения или сжатия газа.

 Насыщенный пар, влажность.

Абсолютная влажность – давление р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре. Относительная влажность – отношение давления р водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению ро насыщенного водяного пара при той же температуре:

рo – табличное значение.
Точка росы – температура, при которой находящийся в воздухе водяной пар становится насыщенным.

Термодинамика

Термодинамика изучает наиболее общие закономерности превращения энергии, но не рассматривает молекулярного строения вещества.

Всякая физическая система, состоящая из огромного числа частиц – атомов, молекул, ионов и электронов, которые совершают беспорядочное тепловое движение и при взаимодействии между собой обмениваются энергией, называется термодинамической системой. Такими системами являются газы, жидкости и твердые тела.

Внутренняя энергия.

Термодинамическая система обладает внутренней энергией U. При переходе термодинамической системы из одного состояния в другое происходит изменение ее внутренней энергии.

Изменение внутренней энергии идеального газа равно изменению кинетической энергии теплового движения его частиц.

Изменение внутренней энергии DU при переходе системы из одного состояния в другое не зависит от процесса, по которому совершался переход.

Для одноатомного газа:

 — разность температур  в конце и начале процесса. Изменение внутренней энергии системы может происходить за счет двух различных процессов: совершения  над системой работы А/ и передачи ей теплоты Q.

Работа в термодинамике.

Работа зависит от процесса, по которому совершался переход системы из одного состояния в другое. При изобарическом процессе (p=const, m=const):  , — разность объемов   в конце и в начале процесса.Работа, совершаемая над системой внешними силами, и работа, совершаемая системой против внешних сил, равны по величине и противоположны по знаку: .

Первый закон термодинамики.

Закон сохранения энергии в термодинамике называют: первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики:

А/ — работа, совершенная над системой внешними силами, А – работа, совершенная системой,  — разность внутренних энергий  конечного и начального состояний. — первый закон термодинамики. Первый закон термодинамики формулируется следующим образом: Количество теплоты (Q), сообщенное системе, идет на приращение внутренней энергии системы и на совершение системой работы над внешними телами. Применим первый закон термодинамики к различным изопроцессам. а)  Изотермический процесс (T=const, m=const).

Так как , то , т.е. изменение внутренней энергии не происходит, значит:

— все сообщенное системе тепло затрачивается на работу, совершаемую системой против внешних сил. б) Изохорический процесс (V=const, m=const).
Так как объем не изменяется, то работа системы равна 0 (А=0) и  — все сообщенное системе тепло затричивается на изменение внутренней энергии. в) Изобарический процесс (p=const, m=const). г) Адиабатический процесс (m=const, Q=0). — работа совершается системой за счет уменьшения внутренней энергии.

КПД тепловой машины.

Тепловой машиной называется периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне количества теплоты.

Тепловая машина должна состоять из трех частей: 1) рабочего тела – газа (или пара), при расширении которого совершается работа; 2) нагревателя – тела, у которого за счет теплообмена рабочее тело получает количество теплоты Q1; 3) холодильника (окружающей среды), отбирающего у газа количество теплоты Q2.

Нагреватель периодически повышает температуру газа до Т1, а холодильник понижает до Т2. Отношение полезной работы А, выполненной машиной, к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия машины h:

Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины: Т1 – температура нагревателя, Т2 – температура холодильника. — для идеальной тепловой машины.

ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ

  1. Какое число молекул содержит 1 моль кислорода?
  2. Получите из уравнения Менделеева-Клапейрона уравнение изобарического процесса.
  3. По графикам изопроцессов в координатных осях V-T постройте графики тех же процессов в координатных осях p-V.

     

  4. Определите температуру в состоянии В, если в состоянии А Т=200 К. 
  5. Два сосуда объемами V1 и V2 заполнены идеальным газом при давлении р1 и р2. Какое установится давление в сосудах, если их соединить между собой? Температура не изменяется.

  6. Докажите, что удельная теплоемкость газа при постоянном давлении больше, чем при постоянном объеме.
  7. Идеальному газа передается количество теплоты таким образом, что в любой момент времени переданное количество теплоты Q равно работе А, совершенной газом.

    Какой процесс осуществлен?

  8. Идеальный газ переходит из состояния М в состояние N тремя различными способами, представленными на диаграмме p-V. В каком случае работе будет минимальной?
  9. Идеальному газу передано количество теплоты 5 Дж и внешние силы совершили над ним работу 8 Дж.

    Как изменится внутренняя энергия газа?

  10.  Каково максимально возможное КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 427о С и холодильник с температурой 27о С.

Ответы и решения

  1. Моль любого вещества содержит одинаковое число молекул, равное числу Авогадро: 
  2. Запишем уравнение Менделеева-Клапейрона для двух состояний с p=const и m=const, т.к. процесс перехода из одного состояния в другое изобарический:            (1)                (2)             Разделим (1) на (2), получаем: — уравнение изобатического процесса.
  3. Для определения температуры применим уравнение Менделеева-Клапейрона. Из графика: для состояния А -, для состояния В -. , из первого уравнения -,              тогда -.
  4. Давление смеси . Запишем уравнение изотермического процесса:,  — давление газов после расширения.
  5. Для решения задачи запишем первое начало термодинамики. Для изобарического процесса:.                                                                         Для изохорического процесса:.                                                                            Т.к.                                                                               Ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении,                                                                                                       СV – теплоемкость при постоянном объеме.                                                                                                                   Т.к. ,                                                  , т.е. 
  6.  — первое начало термодинамики. По условию Q=А, т.е.  дельта U=0, значит, процесс протекает при постоянной температуре (процесс изотермический).
  7. А1 – численно равна площади фигуры А1В  ,. Т.к. меньше остальных площадей, то работа А1 минимальна. 
  8. Q=5 Дж, А/ =8 Дж – работу совершают внешние силы. Первое начало термодинамики запишем так:.10.

Источник: https://www.sites.google.com/a/ssga.ru/ssga4school/fizika/tema-2

Booksm
Добавить комментарий