Газовые законы

Рассмотрим особенности процессов перехода газообразных тел из одного состояния в другое. Условимся считать газ идеальным, если молекулы его являются материальными точками и, следовательно, он не имеет собственного объема; кроме того, предполагается, что молекулы газа взаимодействуют с собой только в момент столкновения друг с другом. Из реально существующих газов к идеальным приближаются водород и гелий в очень разреженном состоянии.

Состояние вещества определяют такие параметры: температура, давление, объем, удельная теплоемкость и т. д. Для определения состояния газа нет необходимости брать все его параметры. Для этого достаточно выбрать только несколько основных, которые однозначно определяют состояние газа: давление, температура, объем, и их называют термодинамическими параметрами.

Давление. Если нет внешних воздействий, газ всегда распределяется равномерно по всему заданному объему. Опыт показывает, что газ, заключенный в сосуд, давит на его стенки. Молекулы, двигаясь беспорядочно, ударяются о стенки сосуда. При ударе о стенку на молекулу действует сила, равная изменению импульса в единицу времени

По третьему закону Ньютона молекула действует на стенку с такой же по величине, но противоположной по направлению силой. Учитывая, что на стенку за время Dt падает N молекул, найдем полную силу

где n – число молекул в единицу объема, V – объем, занимаемый газом. Равенство (1) можно переписать так:

При упругом ударе молекулы ее скорость меняется на противоположную, то есть u_нач= u, u_конеч = -u, тогда

где u - средняя скорость молекул (различные молекулы движутся с различной скоростью). Вследствие хаотичности молекулярного движения и огромного числа молекул в единице объема можно утверждать, что в любом направлении движется ¹/₆ часть всех молекул. Тогда можно показать, что давление газа прямо пропорционально количеству молекул в единице объема и их средней кинетической энергии

Температура. Понятие температуры – одно из самых распространенных и в то же время самых сложных физических понятии. Обычно температуру определяют как степень нагретости данного тела. Но это определение является приближенным, недостаточно строгим. Температура – это одна из важнейших физических величин, которая определяет состояние тела; ее физический смысл раскрывался постепенно по мере развития физики.

Для измерения температуры обычно выбирают какое-то тело и определяют, как изменяется физическая величина в зависимости от температуры. Определить различие в тепловом состоянии тел можно с помощью третьего тела, называемого термометром.

Выбор единицы для измерения температуры производится по так называемой шкале температур. Наиболее распространенной температурной шкалой является шкала Цельсия, в основу которой положено тепловое расширение тел. Она называется термометрической температурной шкалой. Цельсий для построения своей температурной шкалы взял температурный интервал, заключенный между температурами плавления льда и кипения воды при нормальном атмосферном давлении, и разделил его на 100 равных частей. Одна сотая этого интервала равна градусу Цельсия.

Недостаток термометрической шкалы в том, что зависимость какого-то температурного признака, например, размеров тела от температуры, строго говоря, не бывает линейной.

Термодинамическая шкала не зависит от свойств термометрического тела. Она основана на втором начале термодинамики, из которого следует, что отношение теплоты Q₁, полученной телом от нагревателя, к теплоте Q₂, отданной им холодильнику, равно отношению температур нагревателя T₁ и холодильника T₂

Из этого равенства следует, что, зная одну из температур и измеряя отношение Q₁/Q₂, можно определить значение неизвестной температуры.

Нуль градусов по этой шкале равен – 273°C (точнее – 273,16°C) и называется абсолютным нулем. В шкале Кельвина величина градуса та же, что и в стоградусной шкале Цельсия. Температура по шкале Кельвина обозначается T. Температура t° (стоградусной) шкалы Цельсия связана с абсолютной температурой соотношением:

Изопроцессами в газах называются процессы, при которых один из параметров состояния: давление, объем или температура остаются неизменными в течение всего процесса. Закономерности, наблюдаемые при изопроцессах, называют газовыми законами. В курсе физики средней школы изучают изотермический, изобарный и изохорный процессы, наблюдаемые в идеальном газе неизменной массы, и соответствующие этим процессам законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля.