На Горох
Физика, 10 класс

Упражнение 3

"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.

Объяснение темы

Кратко о теме

Идеальный газ — удобная модель, с помощью которой рассчитывают давление, объём, температуру и количество вещества. Главный инструмент — уравнение состояния pV = νRT. Из него получают законы изотермического, изобарного и изохорного процессов. Чтобы решить задачу, нужно определить постоянный параметр, перевести данные в единицы СИ и проверить физический смысл ответа.

Объяснение темы

Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.

Определения и обозначения

Идеальный газ — модель газа, в которой размерами молекул и их взаимодействием вне столкновений пренебрегают. Это не точное описание реального вещества, а упрощение, удобное для расчётов. Модель применяют, когда расстояния между молекулами намного больше их размеров.

Уравнение состояния идеального газа — формула pV = νRT, связывающая давление p, объём V, температуру T и количество вещества ν. Она описывает состояние газа в равновесии. Зная три из этих величин и постоянную R, можно найти четвёртую.

Изопроцесс — процесс, при котором один из параметров газа остаётся постоянным. Название уточняют по неизменной величине: изотермический означает постоянную температуру, изобарный — давление, изохорный — объём. Это позволяет заменить общее уравнение более простой формулой.

Количество вещества — физическая величина, определяемая числом частиц и выражаемая в молях. Один моль содержит примерно 6,02 · 10²³ частиц. В задачах количество вещества связывает микроскопический состав газа с его макроскопическими параметрами.

Как это устроено

Сначала выбирают модель: если газ разрежен, а условие не требует учитывать размеры молекул и силы притяжения, используют модель идеального газа. Затем выписывают известные величины и ту, которую нужно найти, обозначая состояния индексами 1 и 2. Такой порядок не даёт потерять параметр или подставить в формулу величину не того состояния.

Уравнение pV = νRT связывает макроскопические параметры потому, что давление и температура отражают движение огромного числа молекул, а объём задаёт пространство их движения. При неизменном количестве газа изменение одного параметра должно компенсироваться изменением других. Коэффициент R одинаков для всех идеальных газов, поэтому уравнение применимо независимо от химического состава.

Если температура постоянна, из уравнения следует pV = const: уменьшение объёма вызывает рост давления, и наоборот. При постоянном давлении получается V/T = const, поэтому объём прямо пропорционален абсолютной температуре. При постоянном объёме имеем p/T = const: нагревание увеличивает давление.

Для решения задачи сначала переводят данные в СИ: литры — в кубические метры, килопаскали — в паскали, градусы Цельсия — в кельвины. Затем выбирают уравнение, выражают неизвестную величину и только после этого подставляют числа. Если количество вещества и газ не меняются, для двух состояний удобно использовать p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂.

Проверка результата состоит из трёх шагов. Размерность должна соответствовать искомой величине, знак должен быть допустимым, а зависимость — согласовываться с условием. Например, при постоянной температуре сжатие газа не может привести к уменьшению давления.

Параметры идеального газа и изопроцессы

Процесс или величинаПостоянный параметрОсновная зависимостьФормула для расчётов
Состояние идеального газаКоличество вещества νСвязь p, V и TpV = νRT
Изотермический процессТемпература TДавление обратно пропорционально объёмуp₁V₁ = p₂V₂
Изобарный процессДавление pОбъём прямо пропорционален TV₁/T₁ = V₂/T₂
Изохорный процессОбъём VДавление прямо пропорционально Tp₁/T₁ = p₂/T₂
Количество веществаЧисло частицСвязь массы и молярной массыν = m/M
Универсальная газовая постояннаяОдинакова для идеальных газовКоэффициент в уравнении состоянияR ≈ 8,31 Дж/(моль·К)

Сначала найдите в условии постоянный параметр, а затем выберите соответствующую строку. Если постоянный параметр не указан, применяйте общее уравнение состояния или объединённый газовый закон. Температуру во всех формулах берите в кельвинах.

Разбор задач

Задача 1

Газ занимает объём 4 л при давлении 100 кПа и температуре 300 К. Нужно определить количество вещества. Используем уравнение состояния, потому что известны p, V и T.

  1. Переведём единицы: V = 4 · 10⁻³ м³, p = 100 · 10³ Па.
  2. Выразим количество вещества: ν = pV/(RT).
  3. Подставим значения: ν = 100000 · 0,004/(8,31 · 300) ≈ 0,16 моль.

Ответ: ν ≈ 0,16 моль.

Задача 2

При постоянной температуре объём уменьшили с 6 до 2 л, а первоначальное давление равно 120 кПа. Постоянная температура означает изотермический процесс. Поэтому произведение давления на объём сохраняется.

  1. Запишем закон Бойля—Мариотта: p₁V₁ = p₂V₂.
  2. Выразим новое давление: p₂ = p₁V₁/V₂.
  3. Вычислим: p₂ = 120 · 6/2 = 360 кПа.

Ответ: новое давление равно 360 кПа. Объём уменьшился в 3 раза, поэтому давление увеличилось в 3 раза.

Задача 3

Газ при p₁ = 200 кПа, T₁ = 300 К занимает V₁ = 3 л. После нагревания до T₂ = 450 К его объём стал V₂ = 5 л; требуется найти p₂. Количество газа постоянно, но одновременно изменились температура и объём, поэтому один из частных законов не подходит.

  1. Применим объединённый газовый закон: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂.
  2. Выразим давление: p₂ = p₁V₁T₂/(T₁V₂).
  3. Подставим числа: p₂ = 200 · 3 · 450/(300 · 5) = 180 кПа.

Ответ: p₂ = 180 кПа. Нагревание повышает давление, но расширение действует в обратную сторону и в данном случае даёт итоговое уменьшение.

Типичные ошибки

Температура в градусах Цельсия. Так делают, потому что в условии часто указаны привычные градусы. Газовые законы используют абсолютную температуру, поэтому нужно прибавить 273,15 и проверить, что T выражена в кельвинах.

Непереведённые единицы. Литры и килопаскали удобны в условии, но не согласуются напрямую с R = 8,31 Дж/(моль·К). Перед подстановкой замените их на м³ и Па, а размерность результата проверьте отдельно.

Неверный закон изопроцесса. Иногда формулу выбирают по знакомым словам «нагревание» или «сжатие», не выясняя, что постоянно. Выпишите p, V и T до выбора закона и найдите параметр с пометкой «постоянный».

Путаница между массой, количеством вещества и молярной массой. Масса измеряется в килограммах, количество вещества — в молях, а молярная масса — в кг/моль или г/моль. Связь ν = m/M помогает проверить, какая именно величина дана и что требуется найти.

Связь с другими темами

До изучения этой темы нужны понятия давления, объёма, температуры, моля, молярной массы и абсолютной температуры. Без них трудно понять смысл букв в уравнении состояния и правильно определить единицы.

При решении задач понадобятся преобразование формул, перевод величин в СИ и работа с пропорциями. Эти навыки позволяют не только подставлять числа, но и выбирать удобный способ вычислений.

Уравнение состояния используется дальше при изучении термодинамики и работы газа. Оно помогает рассчитывать параметры процессов и анализировать работу тепловых машин.

Что запомнить

  • Состояние идеального газа описывается уравнением pV = νRT.
  • Температуру в газовых законах используют только в кельвинах.
  • При изотермическом процессе постоянна температура.
  • При изобарном процессе постоянным остаётся давление.
  • При изохорном процессе постоянен объём.
  • Перед расчётом все величины нужно привести к единицам СИ.

Частые вопросы по теме

Почему в формулах для газа нельзя использовать температуру в градусах Цельсия?

Газовые законы связывают параметры с абсолютной температурой, отсчитываемой от абсолютного нуля. Поэтому температуру переводят в кельвины: T = t + 273,15.

Как понять, какой газовый закон нужно применить?

Сначала определите, какой параметр не изменяется в процессе. При постоянной температуре используют закон Бойля—Мариотта, при постоянном давлении — закон Гей-Люссака, при постоянном объёме — закон Шарля.

Можно ли использовать уравнение состояния, если масса газа не задана?

Да, если известно количество вещества ν или его можно найти из других данных. Если дана масса m, количество вещества вычисляют по формуле ν = m/M, где M — молярная масса.

Почему давление иногда нужно переводить из килопаскалей в паскали?

В уравнении pV = νRT используют универсальную газовую постоянную в единицах СИ. Поэтому давление выражают в паскалях, объём — в кубических метрах, а температуру — в кельвинах.

Как проверить, что полученный ответ имеет физический смысл?

Проверьте единицы измерения, знак и порядок величины. Кроме того, сравните результат с изменениями параметров: например, при постоянной температуре уменьшение объёма должно приводить к увеличению давления.

Спросить по теме параграфа

Упражнение 3

Эта же тема в других учебниках

Учебник

Оглавление →
Предмет
Физика
Класс
10 класс
Учебник
"Физика. Молекулярная физика. Термодинамика (углублённый уровень)", Мякишев Г.Я., Синяков А.З.