Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Давление

Модель идеального газа

Основы молекулярно-кинетической теории идеальных газов

Наиболее простой моделью является модель идеального газа. Это газ, состоящий из точечных материальных частиц с конечной массой, силами взаимодействия между которыми можно пренебречь, и которые сталкиваются между собой по законам соударения упругих шаров. Следовательно, молекулы идеального газа обладают только кинетической энергией, поскольку потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь. Молекулы движутся непрерывно и беспорядочно, следовательно, в среднем скорости молекул газа в разных направлениях одинаковы. Тот факт, что частицы точечные, позволяет считать, что газ занимает весь предоставленный ему объём, то есть, любая молекула в любой момент времени может находиться в любом месте предоставленного объёма.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа связывает макроскопический параметр газа с микроскопическими характеристиками, относящимися к его структурным элементам - молекулам. Учитывая беспорядочное непрерывное движение молекул и их соударения со стенками сосуда и друг с другом, макроскопическим параметром может быть давление газа, которое связано с изменением импульса молекул (микроскопический параметр).

Как известно, величина давления определяется силой, действующей перпендикулярно на единицу площади поверхности: .

Рис. 2. 2

Давление газа на стенки обусловлено огромным числом столкновений молекул газа со стенками, согласно второму закону Ньютона:

Импульс одной молекулы: вдоль оси Х равен , где m₀ - масса одной молекулы. Пусть в единице объема сосуда находится n молекул, из них половина движется вдоль оси Х, а другая половина - в противоположном направлении. За время Dt в слой Dx (Dx – расстояние, на котором проявляется действие молекул на стенку) слева направо входит молекул. Каждая из них обладает импульсом , следовательно, общий импульс, вносимый ими в слой, равен: .

За это же время слой покидает, двигаясь, справа налево, такое же число молекул с таким же общим импульсом, но противоположного знака. Общее изменение импульса: .

Импульс силы, действующей на стенку, площадью S, равен изменению импульса частиц . Тогда давление на стенку, будет определяться формулой:

(2.1)

Двигаясь беспорядочно в пространстве, молекулы имеют составляющие скоростей и вдоль других осей. Полная скорость молекулы может быть выражена через её составляющие по трём независимым направлениям: .

Поскольку в движении участвует множество молекул, то необходимо использовать средние квадраты скоростей:.

Так как движение беспорядочное, то все три компоненты скоростей равноправны. Отсюда . После подстановки в уравнение (2.1) получим: (2.2)

Уравнение (2.2) связывает макроскопический параметр давление и микроскопические – массу и средний квадрат скорости молекулы, поэтому его можно считать основным уравнением МКТ идеальных газов. Однако, часто это уравнение используют в другом виде: . Здесь - средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы. Таким образом, давление идеального газа определяется средней кинетической энергией поступательного движения молекулы и является среднестатистической величиной

(2.3)

Дата добавления: 2014-01-13