§ 25. Рівняння стану ідеального газу. Об’єднаний газовий закон

Рівняння стану ідеального газу. Універсальна газова стала. Як уже зазначалося, ідеальний газ є найпростішою термодинамічною системою. Стан газу певної маси повністю визначений, якщо відомі його тиск, температура та об’єм. Ці величини називають параметрами стану газу. Якщо ці параметри змінюються, то в газі відбувається той або інший процес. У природі часто протікають процеси, у яких одночасно змінюються всі три величини, що характеризують стан газу. Рівняння, що зв’язує параметри стану цього газу (p, V, T), називають рівнянням стану ідеального газу.

Слід зазначати, що задовго до того, як рівняння стану ідеального газу було виведено на основі молекулярно-кінетичних уявлень, закономірності поведінки газів у різних умовах були досить добре досліджені експериментально. Саме тому рівняння стану ідеального газу можна розглядати як узагальнення експериментальних фактів, що знаходять своє пояснення в молекулярно-кінетичній теорії.

Добуток сталої Авогадро N_A на сталу Больцмана k є також сталою величиною, яку називають універсальною (молярною) газовою сталою й позначають R = N_Ak. Підрахуємо значення універсальної газової сталої:

Отже, ми отримали з основного рівняння МКТ газів рівняння, яке містить тільки макроскопічні (термодинамічні) характеристики стану газу і яке називають рівнянням стану ідеального газу. Це рівняння ще називають рівнянням Менделєєва — Клапейрона:

Рівняння Менделєєва — Клапейрона дає змогу визначити один невідомий параметр стану ідеального газу, якщо інші параметри відомі, для газу будь-якого хімічного складу й довільної маси m. Єдина величина в цьому рівнянні, що залежить від виду газу, — це його молярна маса М.

Для суміші газів рівняння набуває вигляду: pV = (ν₁+ ν₂+ ... + v_n)RT, де v₁, v₂, ... — кількості речовини кожного з газів суміші.

Для одного моля (ν = 1 моль) довільного газу це співвідношення набуває вигляду: pV = RT.

Отже, виведене на підставі молекулярно-кінетичних уявлень рівняння підтверджує ще один встановлений експериментально закон. Якщо в це рівняння підставити значення тиску й температури, що відповідають нормальним умовам (T = 273,15 K (0 °С), p = 1 атм = 1,013 • 10⁵ Па), то один моль будь-якого газу займає об’єм V₀ = 0,0224 м³. Це твердження називають законом Авогадро.

Лише за тиску в сотні атмосфер (коли виявляє себе об’єм молекул газу) і за температур, близьких до температур зрідження газу (внаслідок великої сили взаємодії молекул), відхилення від результатів розрахунків за рівнянням стану ідеального газу стають істотними.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

1. Що таке параметри стану системи? Які величини до них належать?
2. Виведіть рівняння Менделєєва — Клапейрона для довільної маси ідеального газу.
3. Виведіть рівняння Клапейрона. Як воно формулюється?
4. Чому дорівнює універсальна газова стала в СІ?
5. Чому дорівнює об’єм одного моля будь-якого газу за нормальних умов?

Приклади розв’язування задач

Задача. У приміщені об’ємом V = 100 м3 після роботи обігрівача температура повітря¹ збільшилася від t₁ = 17 °С до t₂ = 22 °С. Яка маса Δm повітря, що вийшло з кімнати? Атмосферний тиск p = 10⁵ Па.

¹ У цій і наступних задачах, якщо немає спеціальних застережень, повітря вважайте однорідним газом, молярна маса якого становить 0,029 кг/моль.

ВПРАВА 24

1. Визначте густину водню за температури 127 °С і тиску 830 кПа.

2. Який тиск стиснутого повітря, що міститься в балоні ємністю 20 л за 12 °С, якщо маса цього повітря 2 кг?

4. Яка кількість речовини міститься в газі, якщо за температури 240 K і під тиском 200 кПа його об’єм дорівнює 40 л?

5. Газ за тиску 0,2 МПа і температури 15 °С має об’єм 5 л. Визначте об’єм цього газу за нормальних умов.

6. У балоні міститься газ, температура якого 15 °С. У скільки разів зменшиться тиск газу, якщо 40 % його вийде з балона, а температура при цьому зменшиться на 8 °С?

7. Пробірку, перевернуту догори дном, занурили у воду на деяку глибину. Яка концентрація повітря у пробірці на глибині 3 м? Температура води та повітря однакові й дорівнюють 20 °С. Атмосферний тиск — 760 мм рт. ст.

8. Кулю із жорсткою оболонкою масою 11,6 г заповнено воднем. Об’єм водню — 10 л. Температура водню та повітря, що оточує кулю, — 0 °С. Визначте тиск водню в кулі, якщо результуюча піднімальна сила, яка діє на кулю, дорівнює нулю.