Газообразное состояние вещества. Законы идеальных газов. Реальные газы
Газообразное состояние вещества. Законы идеальных газов. Реальные газы - раздел Химия, По дисциплине Химия КУРС ЛЕКЦИЙ Газы Распространены В Природе И Находят Широкое Применение В Технике. Их Испо...
Газы распространены в природе и находят широкое применение в технике. Их используют в качестве топлива, теплоносителей, сырья для химической промышленности, рабочего тела для выполнения механической работы (газовые турбины); газы являются физической средой для осуществления, газового разряда в трубках, их используют при сварке и резке металлов, при газовой химико-термической обработке металлических поверхностей, в некоторых биохимических процессах и т.д.
В технике находят применение свыше 30 различных газов. Особенно часто употребляемым является природный газ – почти чистый метан, а также воздух, представляющий смесь газов (в основном, азота и кислорода).
В физике, в физической химии и термодинамике часто употребляют термины «идеальный» и «реальный» газы. Идеальнымназывается газ, находящийся в таких условиях, при которых можно пренебречь силами взаимодействия между молекулами и собственным объемом молекул, который чрезвычайно мал по сравнению с общим объемом газа.
Существующий в природе газ называется реальным. Молекулы реальных газов обладают (хотя и очень малым) собственным объемом, который наряду с проявляющимися межмолекулярными силами сцепления и отталкивания необходимо учитывать при различного рода расчетах.
С повышением температуры газа расстояния между молекулами увеличиваются, в молекулярные силы взаимодействия ослабевают. При этом свойства реального газа приближается к свойствам идеального газа. Таким образом, идеальный газ является предельным состоянием любого вещества (твердого, жидкого и газообразного) при достаточно высокой температуре и низком давлении.
Физическое состояние газа определяется тремя параметрами: давлением(р),объемом (V) и температурой (Т). Эти величины связаны уравнением, получившим название уравнения состояния идеального газаилиуравнения Клапейрона-Менделеева. Частная форма этого уравнения была дана французским ученым Б. Клапейроном (1834), а более удобный вариант уравнения состояния идеального газа предложил Д. И. Менделеев (1874):
(3.1)
где р – давление газа, Па;
V – объем газа, м3;
n – число молей газа;
R – молярная газовая постоянная, Дж/(мольК);
Т – абсолютная температура, К.
Число молей газа вычисляют, зная массу его m (г) и молярную массу:
. (3.2)
Абсолютнойназывается температура, выраженная в градусах термодинамической температурной шкалы. Нуль этой шкалы находится на 273,15 0С ниже нуля Международной практической шкалы и называется абсолютным нулем. Температуры по обеим шкалам могут быть выражены, соответственно, в градусах Кельвина (Т, К) и в градусах Цельсия (t, 0С). В расчетах пользуются простым соотношением:
Т = t + 273,15 (3.3)
Численное значение молярной газовой постоянной находят из уравнения (3.1), подставляя величину параметров для 1 моля газа, находящегося при нормальных условиях (t = 0 0С, р =101325 Па, V = 22,4 м3): R = 8,314 Дж/(мольК). Молярная газовая постоянная R имеет размерность энергии (работы), отнесенной к молю идеального газа при нагревании его на 1 градус.
Заменив n в уравнении (3.1), получим развернутую формулу уравнения состояния идеального газа:
. (3.4)
Уравнение состояния идеального газа широко применяется для вычисления параметров состояния газов (р, v или Т), а также при опытном определении молекулярных масс газообразных (парообразных) веществ на основе измерения m, р; V и Т газа (или пара).
Закон Бойля-Мариотта(1662):объем данной массы идеального газа при постоянной температуре изменяется обратно пропорционально давлению, под которым газ находится.
Аналитическое выражение закона имеет вид: при Т = сonst р1V1 = р2V2 или рV = const, т.е. произведение давления на объем данной массы газа есть величина постоянная при постоянной температуре. Константа в уравнении зависит от природы газа, его количества и температуры, но не зависит ни от объема, ни от давления. Графически закон Бойля-Мариотта изображается в виде изотермы (рис. 2 (а)).
Закон Гей-Люссака(1802):для данной массы идеального газа при постоянном давлении объем прямо пропорционален давлению.
Аналитическое выражение закона имеет вид: при р = сonst Т1V2 = Т2V1 или Т/V = const. Графически закон Гей-Люссака изображается в виде изобары (рис. 2 (б)).
Закон Шарля(1787):для данной массы идеального газа при постоянном объеме температура прямо пропорциональна давлению.
Аналитическое выражение закона имеет вид: при V = сonst Т1р2 = Т2р1 или Т/р = const. Графически закон Шарля изображается в виде изохоры (рис. 2 (в)).
Закон Авогадро(1811):в равных объемах различных газов при постоянной температуре находится одинаковое число частиц. Отсюда вытекают следствия: один моль любого газа содержит 6,025.1023 молекул и при нормальных условиях 1 моль газа занимает объем 22,4 дм3.
Законы идеальных газов не применяют для реальных газов, поскольку в реальных газах нельзя пренебречь силами взаимодействия между молекулами и объемом их молекул.
Т = сonst р = сonst V = сonst
р V р
V Т Т
Рис. 2. Графическое изображение газовых законов:
а – изотерма, б - изобара, в – изохора идеального газа
Поведение реальных газов при средних давлениях характеризует уравнение состояния, предложенное голландским ученым Ван-дер-Ваальсом (1873). В уравнение состояния для 1 кмоля идеального газа (3.1) Ван-дер-Ваальс ввел две поправки: p¢ (величина, характеризующая силы межмолекулярного притяжения или внутреннее давление газа) и b (поправка на собственный объем молекул газа).
Поскольку силы притяжения действуют в одном и том же направлении с внешним давлением и стремятся как бы дополнительно сжать газ, то поправка p¢ в уравнении имеет знак «плюс». Было установлено, что силы межмолекулярного притяжения возрастают прямо пропорционально квадрату плотности газа или обратно пропорционально квадрату его объема:
(3.5)
где a – коэффициент пропорциональности, учитывающий способность молекул данного вещества к взаимному притяжению (зависит от природы газа).
Величину объема самих молекул необходимо вычесть из общего объема газа. Поправка b равна учетверенному объему молекул и представляет собой тот предельный объем, до которого можно сжимать газ. Дальнейшее сближение молекул невозможно, так как этому начинают препятствовать возникающие огромные силы электростатического отталкивания. Таким образом, b учитывает как собственный объем молекул, так и силы отталкивания между ними при малых расстояниях. Для 1 кмоля газа
(3.6)
где 4/3pr3 – объем одной молекулы (для шарообразной формы); NА – постоянная Авогадро. Итак, с учетом поправок уравнение состояния реального газа имеет вид
(p + p¢)(V – b) = RT или (3.7)
(p + )(V – pr3NА) = RT (3.8)
Это уравнение отражает состояние реального газа наиболее точно в области средних давлений. Изотерма реального газа для низких температур изображена на рис. 3. На изотерме можно выделить три участка: AB, BC, CD.На участке ABмалым изменениям объема V соответствуют большие изменения давления p. Это качественно характеризует жидкое состояние. На участке CD между объемом и давлением существует обратно пропорциональная зависимость, что характерно для газообразного состояния. Участок BC отвечает переходу газа в жидкость или жидкости в газ (пар). На опытных изотермах этот участок выражается прямой линией, параллельной оси объемов. S-образная часть кривой рассчитана по уравнению (3.8) и характеризует состояния вещества, большей частью нереализуемые на опыте.
Свойства газовых смесей. В технике часто используются различные смеси газов. Многие из них являются хорошим газообразным топливом (природный, доменный, генераторный газы); некоторые служат ценным химическим сырьем и широко используются при синтезе ряда веществ (нефтяные газы, воздух, коксовый газ и др.). Если газовая смесь подчиняется законам идеальных газов, то она называется идеальной газовой смесью. Реальные газовые смеси отклоняются от идеальных газов тем сильнее, чем выше их плотность (ниже температура и выше давление).
Основным законом идеальных газовых смесей является закон Дальтона: общее давление газовой смеси, состоящей из газов, химически не взаимодействующих друг с другом (pобщ.), равно сумме парциальных давлений всех входящих в нее газов (p1, p2, p3,… pi):
pобщ. = p1 + p2 + p3 +…+ pi. (3.9)
Парциальное давлениеравно тому давлению идеального газа, которым он обладал бы, если бы занимал тот же объем, при той же температуре, что и газовая смесь. В смеси идеальных газов к каждому отдельному газу может быть применено уравнение состояния и законы идеального газа. Для газовых смесей в области высоких давлений и низких температур закон Дальтона становится неточным.
Воронеж 2011
Лекция № 1 (2ч)
Введение
Вопросы:
1. Предмет химии. Значение химии в изучении природы и развитии техники.
2. Осно
Основные количественные законы химии
К основным количественным законам химии относятся:закон постоянства состава, закон кратных отношений и закон эквивалентов. Эти законы были открыты в конце XIII – начале XIX веков, и
Современная модель строения атома
В основе современной теории строения атома лежат работы Дж. Томсона (который в 1897 г. открыл электрон, а в 1904 г. предложил модель строения атома, согласно которой атом – это заряженная сфера с в
Орбитальное квантовое число 0 1 2 3 4
Каждому значению l соответствует орбиталь особой формы, например s-орбиталь имеет сферическую форму, р-орбиталь – гантель.
В одной и той же оболочке энергия подуровней возрастает в ряду E
Строение многоэлектронных атомов
Подобно любой системе, атомы стремятся к минимуму энергии. Это достигается при определенном состоянии электронов, т.e. при определенном распределении электронов по орбиталям. Запись
Периодические свойства элементов
Так как электронное строение элементов изменяется периодически, то, соответственно, периодически изменяются и свойства элементов, определяемые их электронным строением, такие как энергия ионизации,
Периодическая система элементов Д.И.Менделеева
В 1869 г. Д. И. Менделеев сообщил об открытии периодического закона, современная формулировка которого следующая: свойство элементов, а также формы и свойства их соединений
Общая характеристика химической связи
Учение о строении вещества объясняет причины многообразия структуры веществ в различных агрегатных состояниях. Современные физические и физико-химические методы позволяют экспериментально определят
Типы химической связи
К основным типам химической связи относят ковалентную (полярную и неполярную), ионную и металлическую связи.
Ковалентной связью называют химическую связь, образованную
Типы межмолекулярных взаимодействий
Связи, при образовании которых перестройка электронных оболочек не происходит, называются взаимодействием между молекулами. К основным видам взаимодействия молекул следует о
Пространственная структура молекул
Пространственная структура молекул зависит от пространственной направленности перекрывания электронных облаков числом атомов в молекуле и числом электронных пар связей за счет непод
Общая характеристика агрегатного состояния вещества
Почти все известные вещества в зависимости от условий находятся в газообразном, жидком, твердом или плазменном состоянии. Это и называется агрегатным состоянием вещества. Аг
Характеристика жидкого состояния вещества
Жидкости по своим свойствам занимают промежуточное положение между газообразными и твердыми телами. Вблизи точки кипения они проявляют сходство с газами: текучи, не имеют определенной формы, аморфн
Общие понятия термодинамики
Термодинамика – наука, изучающая превращения различных форм энергии друг в друга и устанавливающая законы этих превращений. Как самостоятельная дисциплин
Термохимия. Тепловые эффекты химических реакций
Любые химические процессы, а также ряд физических превращений веществ (испарение, конденсация, плавление, полиморфные превращения и др.) всегда сопровождаются изменением запаса внут
Закон Гесса и следствия из него
На основе многочисленных экспериментальных исследований русским академиком Г. И. Гессом был открыт основной закон термохимии (1840 г.) – закон постоянства сумм теплот реа
Принцип работы тепловой машины. КПД системы
Тепловой машинойназывается такое устройство, которое преобразует теплоту в работу. Первая тепловая машина была изобретена в конце XVIII века (паровая). Сейчас существуют дви
Свободная и связанная энергии. Энтропия системы
Известно, что любая форма энергии может полностью преобразовываться в теплоту, но теплота преобразуется в другие виды энергии лишь частично, условно запас внутренней энергии системы
Понятие о химической кинетике
Химической кинетикой называется учение о скорости химических реакций и ее зависимости от различных факторов – природы и концентрации реагирующих веществ, давления,
Теория активизации молекул. Уравнение Аррениуса
Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений реагирующих молекул, так как число столкновения пропорционально концентрациям реагирующих веществ. Однако не все стол
Особенности каталитических реакций. Теории катализа
Скорость химической реакции можно регулировать с помощью катализатора. Вещества, которые участвуют в реакциях и изменяют (чаще всего увеличивают) ее скорость, оставаясь к концу реак
Обратимые и не обратимые реакции. Признаки химического равновесия
Все реакции можно поделить на две группы: обратимые и необратимые. Необратимые реакции сопровождаются выпадением осадка, образованием малодиссоциирующего вещества или выделением газа. Обратимые реа
Константа химического равновесия
Рассмотрим обратимую химическую реакцию общего вида, в которой все вещества находятся в одном агрегатном состоянии, например, жидком:
аA + вB D сC + dD,
где
Правило фаз Гиббса. Диаграмма состояния воды
Качественная характеристика гетерогенных равновесных систем, в которых не происходит химического взаимодействия, а наблюдается лишь переход составных частей системы из одного агрегатного состояния
Правило фаз для воды имеет вид
С = 1+ 2 – Ф = 3 – Ф
если Ф = 1, то С = 2 (система бивариантна)
Ф = 2, то С = 1 (система одновариантна)
Ф = 3, то С = 0 (система безвариантна)
Ф = 4, то С = -1 (
Сольватная (гидратная) теория растворения
Растворами называются гомогенные системы, состоящие из двух или более веществ, состав которых может меняться в довольно широких пределах, допустимых раст
Общие свойства растворов
В конце XIX века Рауль, Вант-Гофф, Аррениус установили весьма важные закономерности, связывающие концентрацию раствора с давлением насыщенного пара растворителя над раствором, темпе
Типы жидких растворов. Растворимость
Способность к образованию жидких растворов выражена в различной степени у различных индивидуальных веществ. Одни вещества способны растворяться неограниченно (вода и спирт), другие – лишь в огранич
Свойства слабых электролитов
При растворении в воде или других растворителях, состоящих из полярных молекул, электролиты подвергаются диссоциации, т.е. в большей или меньшей степени распадаются на положительно и отрицательно з
Свойства сильных электролитов
Электролиты, практически полностью диссоциирующие в водных растворах, называются сильными электролитами. К сильным электролитам относятся большинство солей, которые уже в кр
Свойства коллоидно-дисперсных систем
Все свойства коллоидно-дисперсных систем можно разделить на три основные группы: молекулярно-кинетические, оптические и электрокинетические.
Рассмотрим молекулярно-кинетические
Особенности обменных процессов
Химические реакции разделяются на обменные и окислительно-восстановительные (Ox-Red). Если в реакции не происходит изменение степени окисления, то такие реакции называются обменными. Они возможны п
Особенности окислительно-восстановительных процессов
При окислительно-восстановительных реакциях происходит изменение степени окисления вещества. Реакции можно разделить на те, которые проходят в одном реакционном объеме (например, в
Понятие об электродном потенциале
Рассмотрим процессы, протекающие в гальванических элементов, т. е. процессы превращения химической энергии в электрическую.
Гальваническим элементомназывают электрохим
Гальванический элемент Даниэля-Якоби
Рассмотрим систему, в которой два электрода находятся в растворах собственных ионов, например, гальванический элемент Даниэля-Якоби. Он состоит из двух полуэлементов: из цинковой пластины, погружен
Электродвижущая сила гальванического элемента
Максимальная разность потенциалов электродов, которая может быть получена при работе гальванического элемента, называется электродвижущей силой (ЭДС) элемента.
Поляризация и перенапряжение
При самопроизвольных процессах устанавливается равновесный потенциал электродов. При прохождении электрического тока потенциал электродов изменяется. Изменение потенциала электрода
Электролиз. Законы Фарадея
Электролизом называют процессы, протекающие на электродах под действием электрического тока, подаваемого от внешнего источника тока через электролиты.
При элект
Коррозия металлов
Коррозия – это разрушение металла в результате его физико-химического взаимодействия с окружающей средой. Это процесс самопроизвольный, идущий с уменьшением энергии Гиббса сист
Методы получения полимеров
Полимеры – высокомолекулярные соединения, которые характеризуются молекулярной массой от нескольких тысяч до многих миллионов. Молекулы полимеров, называ
Строение полимеров
Макромолекулы полимеров могут быть линейными, разветвленными и сетчатыми.
Линейные полимеры – это полимеры, которые построены из длинных цепей одномерных элементов, т.
Свойства полимеров
Свойства полимеров условно можно разделить на химические и физические. И те, и другие свойства связаны с особенностями строения полимеров, способом их получения, природой вводимых в
Применение полимеров
На основе полимеров получают волокна, пленки, резины, лаки, клеи, пластмассы и композиционные материалы (композиты).
Волокна получают путем продавливания растворов или
Инструментальные методы анализа
В последние годы все более широкое применение получают инструментальные метода анализа, обладающие многими достоинствами: быстротой, высокой чувствительностью, возможностью одновременного определен
Хотите получать на электронную почту самые свежие новости?
Подпишитесь на Нашу рассылку
Наша политика приватности обеспечивает 100% безопасность и анонимность Ваших E-Mail
(3.1)
. (3.2)
. (3.4)
(3.5)
(3.6)
)(V – 
pr3NА) = RT (3.8)
P A
B C
V
Новости и инфо для студентов