Газовая постоянная — универсальная физическая постоянная R, входящая в уравнение состояния 1 моля идеального газа. Для измерения давления газа существуют различные приборы (манометры, барометры), для измерения температуры – термометры.
9.2. Уравнения состояния и закономерности движения газа
Универсальная газовая постоянная возникает и в приложениях термодинамики, относящихся к жидкостям и твёрдым телам. Универсальная газовая постоянная (R) — это величина, которая является константой, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 K. Универсальная газовая постоянная (также — постоянная Менделеева) — термин, впервые введённый в употребление Д. Менделеевым в 1874 г. Численно равна работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. Газовое агрегатное состояние материи характеризуется хаотичным расположением. Чему равна газовая постоянная? Химия. Анонимный вопрос. Единицей измерения универсальной газовой постоянной в системе СИ является Дж/(моль*К). Ее значение с точностью до трех знаков после запятой равно 8,314.
Глава 8. Строение вещества
Универсальная газовая постоянная, её физический смысл, численное значение и размерность. КлапейронаУравнение Менделеев. Макропараметры и универсальная газовая постоянная. Единицы измерения универсальной газовой постоянной. Численные значения универсальной газовой постоянной (далее слово универсальная опускается) в различных единицах измерения приведены ниже [c.108].
ВСЕ, ЧТО ТЫ ХОТЕЛ ЗНАТЬ О ГАЗАХ, НО БОЯЛСЯ СПРОСИТЬ
Сжимаемость твердых тел чрезвычайно мала даже при очень высоких давлениях. Газы Газообразному состоянию присущи две особенности: 1 расстояние между молекулами обычно в несколько раз превышает их размеры; 2 газы способны занимать весь объем предоставленного им пространства. Газы в отличие от жидкостей и твердых тел могут сравнительно легко сжиматься. Для того чтобы хорошо понимать особенности строения газообразного вещества, нужно знать, чему равен молярный объем газа, какова взаимосвязь между занимаемым газом объемом и количеством вещества, температурой и давлением, как определить среднее расстояние между молекулами газа и как оно зависит от его давления, с какой скоростью двигаются молекулы газообразного вещества и от чего эта скорость зависит. Молярный объем газа — постоянная величина, поскольку она мало зависит от природы вещества. Газ, строго подчиняющийся закону Авогадро, принято называть идеальным. В школьных курсах химии и физики незначительными отклонениями свойств реальных газов от вытекающих из закона Авогадро для идеального газа пренебрегают.
Разделим обе части уравнения Клапейрона на объем: Справа получилась константа: Теперь можно связать давление и температуру в начале и в конце изохорного процесса: Из уравнения видно: при увеличении температуры нагревании при постоянном объеме увеличивается давление газа, и наоборот. Это тоже прямая пропорциональность.
И этот закон тоже сначала был получен экспериментально, французским ученым Шарлем, поэтому и назван его именем — закон Шарля: Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется. Для этого процесса модель точнее описывает реальный процесс: в закрытом жестком сосуде объем действительно можно считать постоянным с хорошей точностью. Пример — металлический баллон. Если газ в нем нагреть, давление увеличится, но при большой жесткости баллона он практически не деформируется по крайне мере настолько, чтобы внести заметную погрешность в расчеты. Решение задач. Графики для описания газовых законов. Границы применимости модели Итак, какие инструменты мы получили? Основной инструмент один — уравнение состояния идеального газа.
А все остальное — это запись этого же уравнения в более удобных формах для решения той или иной задачи. Если мы имеем дело с неизменной массой газа то есть нет утечек , то три параметра состояния связаны уравнением Клапейрона. А если при этом еще и остается неизменным один из параметров состояния, применяем уравнение для изотермического, изобарного или изохорного процесса, их еще называют газовыми законами. Применим наши инструменты, решив несколько задач. Задача 2. Каково давление воздуха в конце сжатия, если в начале сжатия давление воздуха было равно атмосферному 100 кПа? Анализ условия. В задаче описано изменение состояния воздуха, будем его описывать с помощью модели идеального газа — температура сотни градусов по Цельсию это позволяет.
Состояние газа описано тремя макропараметрами давлением, температурой и объемом , причем изменяются все три макропараметра, это не изопроцесс. При этом ничего об утечках воздуха из цилиндра ничего не сказано, значит, количество воздуха не изменяется. Будем применять уравнение Клапейрона.
Заметим, что величина R в физике не является базовой фундаментальной константой такой, как скорость света или постоянная Планка. Поэтому с помощью выбора соответствующей температурной шкалы и количества частиц в системе можно добиться того, что R будет равно 1. Впервые постоянную R в физику ввел Д. Менделеев, заменив ею в универсальном уравнении состояния Клапейрона ряд других констант. Отметим, что хотя величина R введена для газов, в современной физике она используется также в уравнениях Дюлонга и Пти, Клаузиуса-Моссотти, Нернста и в некоторых других.
Постоянные kB и R Люди, которые знакомы с физикой, могли заметить, что существует еще одна постоянная величина, которая во всех физических уравнениях выступает в качестве переводного коэффициента между энергией и температурой. Эта величина называется постоянной Больцмана kB. Очевидно, что должна существовать математическая связь между kB и R. Здесь NA - это огромное число, которое называется числом Авогадро. Если количество частиц системы равно NA, то говорят, что система содержит 1 моль вещества. Таким образом, постоянная Больцмана и универсальная газовая постоянная, по сути, это один и тот же переводной коэффициент между температурой и энергией с той лишь разницей, что kB используется для микроскопических процессов, а R - для макроскопических.
В таких случаях, универсальная газовая постоянная обычно дается другой символ , такой как R , чтобы отличить его. Обратите внимание на использование единиц измерения в киломолях, что дает коэффициент 1000 в константе. USSA1976 признает, что это значение не согласуется с приведенными значениями для постоянной Авогадро и постоянной Больцмана.
ВСЕ, ЧТО ТЫ ХОТЕЛ ЗНАТЬ О ГАЗАХ, НО БОЯЛСЯ СПРОСИТЬ
На самом деле, если давление газа совсем не будет увеличиваться, у поршня не будет причин двигаться, давления будут все время уравновешены. Так что давление немного увеличивается, но под его действием поршень сдвигается вверх, и оно тут же понижается до прежнего значения. Эти изменения небольшие, так что для решения многих задач давление можно действительно считать постоянным. И остался третий параметр, который мы еще не фиксировали, — объем, при этом изменяются температура и давление. Разделим обе части уравнения Клапейрона на объем: Справа получилась константа: Теперь можно связать давление и температуру в начале и в конце изохорного процесса: Из уравнения видно: при увеличении температуры нагревании при постоянном объеме увеличивается давление газа, и наоборот. Это тоже прямая пропорциональность. И этот закон тоже сначала был получен экспериментально, французским ученым Шарлем, поэтому и назван его именем — закон Шарля: Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется.
Для этого процесса модель точнее описывает реальный процесс: в закрытом жестком сосуде объем действительно можно считать постоянным с хорошей точностью. Пример — металлический баллон. Если газ в нем нагреть, давление увеличится, но при большой жесткости баллона он практически не деформируется по крайне мере настолько, чтобы внести заметную погрешность в расчеты. Решение задач. Графики для описания газовых законов. Границы применимости модели Итак, какие инструменты мы получили?
Основной инструмент один — уравнение состояния идеального газа. А все остальное — это запись этого же уравнения в более удобных формах для решения той или иной задачи. Если мы имеем дело с неизменной массой газа то есть нет утечек , то три параметра состояния связаны уравнением Клапейрона. А если при этом еще и остается неизменным один из параметров состояния, применяем уравнение для изотермического, изобарного или изохорного процесса, их еще называют газовыми законами. Применим наши инструменты, решив несколько задач. Задача 2.
Каково давление воздуха в конце сжатия, если в начале сжатия давление воздуха было равно атмосферному 100 кПа? Анализ условия.
При использовании значения R по ISO расчетное давление увеличивается всего на 0,62 паскаль на 11 км эквивалент разницы всего в 17,4 сантиметра или 6,8 дюйма и на 0,292 Па на 20 км эквивалент разницы всего в 33,8 см или 13,2 дюйма. Также обратите внимание, что это было задолго до переопределения SI 2019 года, благодаря которому константе было присвоено точное значение.
Во втором веке нашей эры дело Архимеда продолжил Клавдий Птолемей. Клавдию Птолемею удалось высчитать константу пи с точностью до третьей цифры после запятой. В шестнадцатом веке нашей эры математик из Голландии Лудольф ван Цейлен потратил десять лет на удваивание углов многоугольника и высчитал константу пи с точностью до двадцати знаков после запятой. Он завещал, чтобы найденные им цифры были выбиты на его надгробной плите.
А саму константу стали называть числом Лудольфа. Изучение числа пи в древнем Китае Наряду с европейскими математиками, число пи пытались рассчитать и в Поднебесной. В третьем веке нашей эры математик из Китая Лю Хуэй вывел алгоритм, для расчёта константы пи с любой возможной степенью точности. В основу алгоритма легла всё та же идея Архимеда.
По такому алгоритму самим Лю Хуэем было высчитано приближение пи для многоугольника с 3072 углами. Оно получилось равным 3,14159. Точность возросла до пятого знака после запятой. В пятом веке нашей эры математик Цзу Чунчжи Вычислил пи с точностью до семи цифр после запятой, расположив эту константу между 3,1415926 и 3,1415927.
Число пи: от средневековья до наших дней В связи с развитием математического анализа во втором тысячелетии нашей эры для нахождения значения числа пи стали использоваться математические ряды: Ряд Мадхавы-Лейбница сходился медленно, но после некоторых преобразований позволил вычислить константу пи с точностью до одиннадцати цифр после запятой. Формула Виета — первая точная математическая формула для нахождения числа пи — представляет собой бесконечное произведение. Формула Валлиса также представляет собой произведение для расчёта константы пи по аналогии с константой е. Формула Джона Мэчина имеет в своей основе разложение арктангенса в Ряд Тейлора.
Бесконечный ряд обратных квадратов, как доказал Эйлер сходится к квадрату пи, деленному на шесть. Теория вероятностей тоже внесла свой вклад в вычисление пи с помощью метода Монте-Карло и Иглы Бюффона. Но с появлением компьютеров, а также открытием преобразования Фурье, использование рядов для вычисления значения пи позволило достигать астрономической точности. Количество знаков Примерно в то же время подтянулись и другие менее известные математики, предложившие новые формулы расчета числа Пи через тригонометрические функции.
С помощью методов анализа Мэчин вывел из этой формулы число Пи с сотней знаков после запятой. До эры компьютеров математики занимались тем, чтобы рассчитать как можно больше знаков. В связи с этим порой возникали курьезы.
Плотность смеси метана и этена по водороду равна 12,8. Определите массовую, объёмную и мольную доли кислорода в смеси. Найдем массовую долю метана. Обратите внимание: мольная, объёмная и массовая доли вещества в смеси не зависят от общего количества смеси. Пример 5.
Определите объёмную долю паров этанола в реакционной смеси и процент превращения этена в этанол.
Универсальная газовая постоянная
Причины этих отклонений. Уравнение состояния реальных газов. Реальные газы — газы, свойства которых зависят от взаимодействия молекул. В обычных условиях, когда средняя потенциальная энергия межмолекулярного взаимодействия много меньше средней кинетической энергии молекул, свойства реальных и идеальных газов отличаются незначительно. Поведение этих газов резко различно при высоких давлениях и низких температурах, когда начинают проявляться квантовые эффекты. Отклонения свойств реальных газов от свойств идеального газа объясняются наличием сил притяжения между молекулами газа и наличием определенного объема у каждой молекулы газа в кинетической теории предполагается, что этот объем пренебрежимо мал. Критическое состояние. Коэффициент сжимаемости. Сжижение газов.
При использовании ISO значение р, расчетное давление увеличивается всего на 0,62 паскаль на 11 км эквивалент разницы всего в 17,4 сантиметра или 6,8 дюйма и увеличение на 0,292 Па на 20 км эквивалент разницы всего в 33,8 см или 13,2 дюйма. Также обратите внимание, что это было задолго до переопределения SI 2019 года, которое дало константе точное значение. Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности.
Теплоемкостью тела называют количество теплоты ,необходимое для изменения температуры тела на один градус. Средней в интервале температур T1 — T2 теплоемкостью тела Сm называют количество теплоты q, необходимое для повышения температуры тела на 1o 14 При уменьшении разности температур Т2 — Т1 средняя теплоемкость приближается к истинной. Если к телу подведено бесконечно малое количество теплоты dq и температура тела Т повысилась на величину dT, то отношение 15.
Однако после переопределения СИ в 2019 базовые единицы , R теперь имеет точное значение, определенное в терминах других точно определенных физических констант. Удельная газовая постоянная.
Универсальная газовая постоянная
Универсальная газовая постоянная (R) — это постоянная, которая связывает энергию молекул с их температурой. Преобразование единиц измерения: Универсальная газовая постоянная используется при преобразовании единиц измерения, связанных с энергией, температурой и количеством вещества. универсальная газовая постоянная, равная 8314,8 Па-м Дкмоль-К). универсальная газовая постоянная равная 83,14Дж ⁄ (моль × K).
Чтобы получить доступ к этому сайту, вы должны разрешить использование JavaScript.
Газовое агрегатное состояние материи характеризуется хаотичным расположением. R=А, то есть универсальная газовая постоянная численно равна работе расширения одного кмоль газа при изобарическом нагревании на. Макропараметры и универсальная газовая постоянная. Универсальная газовая постоянная (также — постоянная Менделеева) — термин, впервые введённый в употребление Д. Менделеевым в 1874 г. Численно равна работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 К. Выясним физический смысл универсальной газовой постоянной R. Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если газовую постоянную отнести не к 1 кг газа, а к одному киломолю.
Что это за универсальная газовая постоянная [чтобы все поняли]
Необходима хотя бы простая температурная компенсация, т. Данная задача актуальна в основном, но не только, для применений и устройств, в которых напрямую измеряется скорость газа. Попробуем сформулировать несколько важных на практике выводов для данного случая: показатели объемного счетчика газа тем "весомее", чем выше давление выгодно поставлять газ низкого давления выгодно покупать газ высокого давления Как с этим бороться?
Данная статья посвящена рассмотрению концепции идеального газа и единицам измерения универсальной газовой постоянной. Идеальный газ Газовое агрегатное состояние материи характеризуется хаотичным расположением частиц, расстояние между которыми значительно больше их размеров. Эти частицы находятся в постоянном движении, поэтому газ не сохраняет свою форму и свой объем. Вам будет интересно: Ретироваться — это значит уходить: толкование слова Идеальным газом называется любое вещество, размерами частиц которого и взаимодействиями между которыми можно пренебречь.
В рамках концепции идеального газа считают, что любые столкновения частиц со стенками сосуда носят абсолютно упругий характер. Средняя кинетическая энергия частиц однозначно определяет температуру идеального газа. Большинство реальных газов, которые находятся при не слишком высоких давлениях и не слишком низких температурах, можно считать с высокой точностью идеальными. Универсальное уравнение состояния Так называют уравнение, которое объединяет в рамках одного выражения все важные термодинамические параметры идеальной газовой системы. Запишем его: Здесь P и V - давление в паскалях и объем в метрах кубических, n и T - количество вещества в молях и температура системы в Кельвинах. Это равенство также называется уравнением или законом Клапейрона-Менделеева в честь французского физика и инженера и русского химика XIX века, которые вывели это уравнение из накопленного предыдущими поколениями ученых экспериментального опыта.
Универсальное уравнение состояния системы позволяет получить любой газовый закон. Например, закон Гей-Люссака следует из него непосредственно, если положить постоянным объем во время термодинамического процесса.
Этот закон представляет собой то, что в физике принято называть уравнением состояния вещества, поскольку он описывает характер изменения свойств вещества при изменении внешних условий. Строго говоря, этот закон в точности выполняется только для идеального газа. Идеальный газ представляет собой упрощенную математическую модель реального газа: молекулы считаются движущимися хаотически, а соударения между молекулами и удары молекул о стенки сосуда — упругими, то есть не приводящими к потерям энергии в системе. Такая упрощенная модель очень удобна, поскольку позволяет обойти очень неприятную трудность — необходимость учитывать силы взаимодействия между молекулами газа. Это позволяет ученым спокойно включать уравнение состояния идеального газа даже в весьма сложные теоретические расчеты. Например, астрономы при моделировании горячих звезд обычно считают вещество звезды идеальным газом и весьма точно прогнозируют давления и температуры внутри них. Заметьте, что вещество внутри звезды ведет себя как идеальный газ, хотя его плотность несопоставимо выше плотности любого вещества в земных условиях.
Иными словами, универсальная газовая постоянная количественно описывает способность газа к термическому расширению в изобарном процессе. Определение и физический смысл Формально универсальная газовая постоянная определяется как работа расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при постоянном давлении при увеличении температуры на один градус Кельвина. Из этого определения сразу следует физический смысл данной константы: чему равна универсальная газовая постоянная - это работа, которую совершает один моль любого идеального газа, расширяясь изобарически на один градус. Другими словами, универсальная газовая постоянная количественно характеризует способность газа к тепловому расширению при постоянном давлении. Это одна из ключевых термодинамических характеристик идеальных газов. Численное значение Чему равна универсальная газовая постоянная в численном выражении? Применение Знание универсальной газовой постоянной позволяет вычислять различные термодинамические параметры газов.
Газовые законы
давление, v - объём 1 моля, Т - абсолютная температура. Уравнению Клапейрона можно придать универсальную форму, если газовую постоянную отнести не к 1 кг газа, а к одному киломолю. Численные значения универсальной газовой постоянной (далее слово универсальная опускается) в различных единицах измерения приведены ниже [c.108].
Размерность универсальной газовой постоянной
Данное уравнение позволяет связывать между собой состояние газа, задаваемое значениями P, V, T и n. Расчеты по этому уравнению широко используются в физике, химии, в различных инженерных приложениях. История открытия Универсальная газовая постоянная была введена в обращение выдающимся русским ученым Дмитрием Ивановичем Менделеевым в 1874 году. Он вывел ее численное значение, опираясь на закон Авогадро и данные об объеме одного моля газа при нормальных условиях. В некоторых научных кругах универсальную газовую постоянную принято называть постоянной Менделеева, поскольку это определение было впервые введено великим русским химиком. При жизни Менделеева точных методов для экспериментального нахождения численного значения R не существовало.
Поэтому ученый вычислил его на основе других констант и закономерностей поведения газов.
Однако после переопределения СИ в 2019 базовые единицы , R теперь имеет точное значение, определенное в терминах других точно определенных физических констант. Удельная газовая постоянная.
Пусть 1 моль идеального газа заключен в цилиндр под поршень рис. Первое, начальное, состояние газа характеризуется параметрами V1, Р1, T1. Пусть второе, конечное, состояние газа характеризуется параметрами V2, Р1, T2.
При подводе тепла Q поршень приподнялся на высоту Dh в результате расширения газа при постоянном давлении P1.
Запишем уравнение в виде, удобном для описания перехода из состояния 1 в состояние 2: Температуры заданы нужно только перевести их в кельвины , давление тоже. Что сказано об объеме — перепишем условие в математическом виде. Объем уменьшился в 15 раз, это значит, что в состоянии 2 объем в 15 раз меньше, чем в состоянии 1: Получили простую систему уравнений, решим ее — это будет математическая часть решения.
Подставим второе давление: Выразим давление во втором состоянии: Получили ответ: 4,2 МПа или 42 атмосферы. Задача 3. Какой была начальная температура? В задаче описано изменение состояния газа.
За неимением другой информации будем применять модель идеального газа. Речь идет о закрытом баллоне. Это значит, во-первых, что масса газа постоянна, а, во-вторых, баллоны обычно жесткие, значит, и объем не изменяется. Поэтому можем описать процесс как изохорный.
Запишем уравнение для изохорного процесса: Перепишем условие в математическом виде, чтобы можно было подставлять в уравнение. Температура увеличилась на 15 К, значит,. Часто бывает удобно выразить зависимость одного параметра от другого в виде графиков. Это наглядно, помогает лучше представить себе процесс, а иногда по графикам можно оценить численные значения.
Начертим графики зависимостей параметров газа и разберемся, какую информацию можно из них получить. Начнем с изотермического процесса,. Чтобы начертить график зависимости давления от объема, нужно переписать уравнение в виде : Это обратно пропорциональная зависимость типа , и ее график имеет вид гиперболы см. Изотермический процесс на графике зависимости давления от температуры От константы зависит расположение кривой: чем больше константа, тем выше располагается график.
А вы помните, что константа содержит температуру, в промежуточном варианте уравнение выглядело так: Так что если у нас есть две изотермы для одной и той же массы газа, значит, каждая изотерма описывает процесс, при котором температура постоянна. Но в первом случае эта постоянная температура равна , которая меньше, чем постоянная температура во втором случае см.