Сайтът все още се разработва и може да има грешки и неточности. Ако забележиш такава, пиши ни на ninelibera@gmail.com.

Идеален газ

🔬 През 1827 г. шотландският ботаник Робърт Браун разглежда под дребни частици от цветен във вода и вижда, че те непрестанно подскачат насам-натам. Отначало помисля, че са живи, но същото правят и прашинки от неживи вещества. Почти 80 години никой не може да го обясни. През 1905 г. Алберт Айнщайн предлага отговор: частиците се блъскат от невидимите молекули на водата, а ударите от различните страни не се уравновесяват точно. Той пресмята колко далеч трябва да се отместват частиците, а около 1908 г. Жан Перен го проверява с опити и намира броя на молекулите в един мол. След това и учените, които се съмнявали, приемат, че атомите съществуват.

1. Атоми, молекули и мол

Всяко вещество е изградено от молекули (или атоми), които се движат непрекъснато. В газа те са далеч една от друга и летят свободно, докато се ударят в друга молекула или в стената. Молекулите са толкова малки, че ги броим на огромни „пакети“ – молове.

О

Количество вещество и число на Авогадро

Един мол съдържа NA=6,022⋅1023N_A = 6{,}022 \cdot 10^{23} частици (числото на Авогадро). Количеството вещество е n=NNA=mMn = \frac{N}{N_A} = \frac{m}{M}, където MM е моларната маса. В g/mol тя е равна на относителната молекулна маса: за водата M=18 g/molM = 18\ \mathrm{g/mol}, за кислорода O2\mathrm{O_2} – 32 g/mol32\ \mathrm{g/mol}.

Пример

Колко молекули има в чаша вода (250 g)?

  1. n=mM=25018≈13,9 moln = \frac{m}{M} = \frac{250}{18} \approx 13{,}9\ \mathrm{mol}
  2. N=nNA≈13,9⋅6,02⋅1023≈8,36⋅1024N = nN_A \approx 13{,}9 \cdot 6{,}02 \cdot 10^{23} \approx 8{,}36 \cdot 10^{24}
  3. Ако ги наредим една до друга (по около 0,3 nm), редицата ще е дълга около 2,5⋅1015 m2{,}5 \cdot 10^{15}\ \mathrm{m} – около 0,3 светлинни години.

2. Налягането на газа

О

Модел на идеален газ

Молекулите са точки с маса, движат се хаотично по всички посоки и се удрят еластично в стените и една в друга. Между ударите не си въздействат. Реалните газове при обикновени условия се държат почти така.

Всяка молекула, която се удря в стената, ѝ предава (виж Импулс и удари). Ударите са толкова много – милиарди милиарди всяка секунда върху всеки квадратен сантиметър, – че усещаме постоянна сила. Силата на единица площ е налягането p=FSp = \frac{F}{S} (виж Статика и флуиди). Повече молекули, по-бързи молекули или по-малък съд – повече удари и по-голямо налягане.

V = 1 от целия обемформулаизмереноналягане p
p по формулата100p измерено…време0 s

Пусни симулацията и изчакай няколко секунди – ударите се натрупват.

💡 Налягането е в относителни единици: 100 = 40 молекули при 300 K в целия обем. Удвои броя на молекулите или абсолютната температура – налягането се удвоява; намали обема наполовина – пак се удвоява. Цветът показва скоростта (синьо – бавни, червено – бързи), а жълтата молекула е една и съща през цялото време. Моделът е двумерен и молекулите не се удрят една в друга.

3. Газови закони

Т

Закони на идеалния газ (за дадено количество газ)

Изотермен процес (TT = const): pV=constpV = \text{const} – закон на Бойл–Мариот. Изобарен процес (pp = const): VT=const\frac{V}{T} = \text{const} – закон на Гей-Люсак. Изохорен процес (VV = const): pT=const\frac{p}{T} = \text{const} – закон на Шарл. Тук TT е абсолютната температура: T=t+273,15T = t + 273{,}15.

Трите закона са части от едно общо правило: p1V1T1=p2V2T2\frac{p_1 V_1}{T_1} = \frac{p_2 V_2}{T_2}. (В някои учебници имената на закона на Шарл и закона на Гей-Люсак са разменени – важни са формулите.) Ако продължим правите V(T)V(T) и p(T)p(T) назад, те стигат нула при −273,15 ∘C-273{,}15\ ^{\circ}\mathrm{C} – абсолютната нула, под която температурата не може да падне (виж Температура и топлина).

бавно, при постоянна T100 kPa300 K1234100200300400V, Lp, kPa150 K450 K
p =100 kPaV =2 LT =300 K = 27 °CpV/T =0,667 kPa·L/K

Закон на Бойл–Мариот: pV = const – свиваш газа наполовина, налягането се удвоява.

💡 Количеството газ е едно и също (около 0,08 mol), затова pV/T не се променя при никой процес. При изобарния и изохорния процес правите, продължени назад (пунктир), минават през 0 K – така е открита абсолютната нула. Истинският газ се втечнява много преди това.

Пример

Спринцовка съдържа 20 cm³ въздух при атмосферно налягане 100 kPa. Запушваме отвора и бавно натискаме буталото до 5 cm³. Какво е налягането?

  1. Бавно свиване – температурата остава като на околната среда: p1V1=p2V2p_1 V_1 = p_2 V_2
  2. p2=100⋅205=400 kPap_2 = 100 \cdot \frac{20}{5} = 400\ \mathrm{kPa} – четири пъти повече; затова буталото „натиска“ обратно.

4. Уравнение на състоянието

Т

Уравнение на Клапейрон–Менделеев

pV=nRT=NkTpV = nRT = NkT, където R=8,314 J/(mol⋅K)R = 8{,}314\ \mathrm{J/(mol \cdot K)} е универсалната газова константа, а k=RNA=1,381⋅10−23 J/Kk = \frac{R}{N_A} = 1{,}381 \cdot 10^{-23}\ \mathrm{J/K} – константата на Болцман. При 0 ∘C0\ ^{\circ}\mathrm{C} и 101,3 kPa101{,}3\ \mathrm{kPa} един мол от всеки газ заема Vm=22,4 LV_m = 22{,}4\ \mathrm{L}.

Забележително е, че уравнението не зависи от вида на газа: мол водород и мол въглероден диоксид при еднакви условия заемат един и същ обем. Различна е само масата им. В уравнението всичко е в SI: налягането в Pa, обемът в m³, температурата в K.

Пример

Колко въздух има в стая с размери 5 m × 4 m × 2,5 m при 20 °C и 101 kPa? (Mвъздух=29 g/molM_{\text{въздух}} = 29\ \mathrm{g/mol})

  1. V=50 m3V = 50\ \mathrm{m^3}, T=293 KT = 293\ \mathrm{K}
  2. n=pVRT=101 325⋅508,314⋅293≈2080 moln = \frac{pV}{RT} = \frac{101\,325 \cdot 50}{8{,}314 \cdot 293} \approx 2080\ \mathrm{mol}
  3. m=nM≈2080⋅0,029≈60 kgm = nM \approx 2080 \cdot 0{,}029 \approx 60\ \mathrm{kg} – колкото тежи един възрастен човек!

5. Молекулно-кинетична теория

Т

Налягане и температура според движението на молекулите

Налягането на идеален газ е p=13ρ v2‾p = \frac{1}{3}\rho\,\overline{v^2}, където ρ\rho е плътността. Като сравним с pV=NkTpV = NkT, получаваме, че средната кинетична енергия на една молекула е Ek‾=32kT\overline{E_k} = \frac{3}{2}kT. Средната квадратична скорост е vск=v2‾=3kTm0=3RTMv_{\text{ск}} = \sqrt{\overline{v^2}} = \sqrt{\frac{3kT}{m_0}} = \sqrt{\frac{3RT}{M}}.

Така температурата получава ясен смисъл: тя е мярка за средната енергия на хаотичното движение на молекулите. При една и съща температура леките молекули са по-бързи – енергията им е същата, но масата е по-малка.

Пример

Колко бързо се движат молекулите на азота (основната част от въздуха) при 27 °C? А на водорода?

  1. vск=3⋅8,314⋅3000,028≈517 m/sv_{\text{ск}} = \sqrt{\frac{3 \cdot 8{,}314 \cdot 300}{0{,}028}} \approx 517\ \mathrm{m/s} – по-бързо от звука във въздуха.
  2. Водородът е 14 пъти по-лек: vск=517⋅14≈1930 m/sv_{\text{ск}} = 517 \cdot \sqrt{14} \approx 1930\ \mathrm{m/s}

Молекулите нямат еднакви скорости: някои са бавни, други много бързи. Разпределението им е изведено от Джеймс Клерк Максуел. Най-бързите молекули от „опашката“ могат да избягат от планетата – затова Земята е изгубила свободния водород и хелий, а Луната почти няма атмосфера (подробно в урока Планети от земен тип).

050010001500v, m/sдял на молекулитеvₚ⟨v⟩v ск
vₚ =422 m/s⟨v⟩ =476 m/sv ск =517 m/s

По-високата температура разлива кривата надясно; по-леките молекули са по-бързи при същата температура.

💡 Площта под кривата е 1 (всички молекули). vₚ е най-вероятната скорост, ⟨v⟩ – средната, а v ск – средната квадратична, която участва в енергията. Грубото правило е, че газ се задържа милиарди години, ако 6·v ск е под втората космическа скорост – но бягат и молекулите от далечната „опашка“ на кривата. Горните слоеве на атмосферата са много по-горещи от повърхността (около 1000 K).

Кога газът не е идеален? При високо налягане молекулите са близо една до друга и собственият им обем вече има значение, а при ниска температура започват да се привличат. Тогава газът се отклонява от pV=nRTpV = nRT и накрая се втечнява. Как се разменя енергия между газа и околната среда, ще видим в урока Термодинамика.

6. Тренажор

Пресметни исканата величина. Десетичните отговори въвеждай като 33,6.

✅ Решени: 0🔥 Серия: 0🏆 Рекорд: 0
p1=100 kPa,V1=12 L,V2=8 Lp_1 = 100\ \mathrm{kPa}, \quad V_1 = 12\ \mathrm{L}, \quad V_2 = 8\ \mathrm{L}

При постоянна температура: p2=? kPap_2 = ?\ \mathrm{kPa}

7. Газът около нас

0 / 6

🎈 Балон с хелий

Балон за празник съдържа 10 L хелий при 20 °C и налягане 101 kPa. Колко мола и колко грама хелий има в него? (M=4,00 g/molM = 4{,}00\ \mathrm{g/mol})

🚗 Гумите след магистрала

Абсолютното налягане в гума е 320 kPa сутрин при 10 °C. След дълго шофиране въздухът в гумата се загрява до 40 °C, а обемът почти не се променя. Какво е налягането?

🫁 Един вдъх

При вдишване в белите дробове влизат около 0,5 L въздух. Колко мола са те при 37 °C и 101 kPa?

🤿 Мехурче от водолаз

Водолаз на дълбочина 20 m издишва мехурче с обем 2 cm³. Какъв е обемът му на повърхността, ако температурата не се променя? Атмосферното налягане е 101 kPa, а всеки метър вода добавя 9,8 kPa.

💨 Колко бързи са молекулите в стаята

Каква е средната квадратична скорост на молекулите на кислорода в стая при 20 °C? (M=0,032 kg/molM = 0{,}032\ \mathrm{kg/mol})

🧊 Бутилка в хладилника

Затваряш празна пластмасова бутилка при 25 °C и 101 kPa и я слагаш в хладилник при 5 °C. Какво става налягането вътре, ако обемът не се промени?

Зелено – решена сам(а), жълто – с решението. Десетичните числа може да пишеш със запетая.

8. ⚠️ Чести грешки

Градуси вместо келвини

✗ pV=nRT\displaystyle pV = nRT с T=20\displaystyle T = 20

✓ T=20+273=293 K\displaystyle T = 20 + 273 = 293\ \mathrm{K} – газовите закони са само с абсолютна температура

Двойно по-топло?

✗ от 20 °C до 40 °C обемът се удвоява

✓ V2V1=313293≈1,07\displaystyle \frac{V_2}{V_1} = \frac{313}{293} \approx 1{,}07 – само със 7%

Литри в SI формула

✗ V=10\displaystyle V = 10 в pV=nRT\displaystyle pV = nRT за 10 L

✓ 10 L=0,010 m3\displaystyle 10\ \mathrm{L} = 0{,}010\ \mathrm{m^3}

Моларна маса в грамове

✗ v=3RT32\displaystyle v = \sqrt{\frac{3RT}{32}} за кислород

✓ M=0,032 kg/mol\displaystyle M = 0{,}032\ \mathrm{kg/mol}

Скорост и температура

✗ двойно T\displaystyle T – двойна скорост

✓ vск∝T\displaystyle v_{\text{ск}} \propto \sqrt{T}: двойно T\displaystyle T – 2≈1,41\displaystyle \sqrt{2} \approx 1{,}41 пъти

Налягане в гумата

✗ манометърът показва 2,2 bar – това е p\displaystyle p

✓ показва свръхналягането; абсолютното е около 3,2 bar\displaystyle 3{,}2\ \mathrm{bar}

9. 🎯 Бърз тест

1 / 9
✓ 0

Колко частици има в 1 mol вещество?

10. 📝 Задачи за упражнение

0 / 0

Ниво А· Областен кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво В· Национален кръг

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Ниво С· Международна олимпиада

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

Дробите – като 3/2, десетичните – със запетая.

11. Обобщение

  • ✓ n=NNA=mMn = \frac{N}{N_A} = \frac{m}{M}, NA=6,022⋅1023 mol−1N_A = 6{,}022 \cdot 10^{23}\ \mathrm{mol^{-1}}; брауновото движение доказва, че молекулите съществуват и се движат
  • ✓ Налягането на газа е резултат от ударите на молекулите в стените
  • ✓ pV=constpV = \text{const} (T = const), VT=const\frac{V}{T} = \text{const} (p = const), pT=const\frac{p}{T} = \text{const} (V = const), с T=t+273,15T = t + 273{,}15
  • ✓ pV=nRT=NkTpV = nRT = NkT; при 0 °C и 101,3 kPa един мол от всеки газ заема 22,4 L
  • ✓ Ek‾=32kT\overline{E_k} = \frac{3}{2}kT – температурата е мярка за енергията на хаотичното движение
  • ✓ vск=3RTMv_{\text{ск}} = \sqrt{\frac{3RT}{M}}: леките молекули са по-бързи; скоростите са разпределени по Максуел

💡 Интересен факт

В цялата атмосфера на Земята има около 104410^{44} молекули, а в един вдъх – около 102210^{22}. Значи един вдъх е около 10−2210^{-22} от атмосферата. Ако молекулите от последния дъх на Юлий Цезар са се разпръснали равномерно за двете хилядолетия оттогава (и не са влезли в ), във всеки твой вдъх средно има около една молекула от него. Това е класическа – грубо, но показва колко невъобразимо много са молекулите.