Газообразное состояние вещества

Тема 1.1. Молекулярно-кинетическая теория агрегатных состояний вещества.

Физическое состояние газа определяется параметрами:

Р – давление

V – объём

Т – температура.

Они связаны уравнением состояния идеального газа или уравнением Клапейрона – Менделеева

PV =пRT, где

n или n (ню) – количество вещества, моль

R – молярная (универсальная) газовая постоянная.

Её численное значение определяется при нормальных условиях (н.у.):

P₀ = 101 325 Па (Паскаль) нормальное давление

Т₀ = 273 К (Кельвин) нормальная температура

V_m – молярный объём, то есть объём 1 моля вещества.

При н.у. 1 моль вещества занимает объём 22,4 × 10^-3 м³/моль

R = 8, 314 Дж/(моль×К).

Применение уравнения состояния идеального газа:

Воспользуемся такими понятиями, как:

Количество вещества: п = m/M; моль

плотность: r = m/V; кг/м³

концентрация: с = п /V; моль/м³

1) Для определения молярной массы вещества

2) Для определения концентрации с = Р/(RT)

3) Для определения плотности

4) Для приведения параметров газа к н.у.

В 1749 г в трактате «Размышление о природе теплоты и холода» Ломоносов, исходя из кинетических представлениях о строении материи развил основные положения МКТ:

1. Идеальный газ состоит из материальных точек (маленькие упругие шарики, которые не взаимодействуют между собой, кроме столкновений).

2. Силы межмолекулярного взаимодействия малы, ими пренебрегают. Потенциальная энергия = 0.

3. Движение частиц непрерывно и хаотично, а траектория их линейна.

4. Средняя скорость их поступательного движения при Т=const постоянна и они равномерно заполняют занимаемый объём.

Идеальные газы (т.е. газы, находящиеся при таких условиях, когда можно пренебречь межмолекулярными силами взаимодействия и собственным объёмом молекул газа) подчиняющихся газовым законам:

1. Закон Бойля – Мариотта для изотермического процесса Т = соnst.

V₁/V₂ = P₂/P₁

следствия:

с₁/с₂ = Р₁/Р₂; r₁/r₂ = Р₁/Р₂

2. Закон Шарля для изохорного процесса V=const

P₁/P₂ = T₁/T₂

3. Закон Гей – Люссака для изобарного процесса Р = соnst

V₁/V₂ = T₁/T₂

следствия:

с₁/с₂ = Т₂/Т₁; r₁/r₂ = Т₂/Т₁

4. Закон Авогадро

V₁/п₁ = V₂/п₂

следствия:

1) При н.у. 1 моль газа занимает объём 22,4 × 10^-3 м³/моль (V_m)

2) Число молекул, содержащихся в 1 моль называется постоянной Авогадро

N_A = 6,02 × 10²³ молекул

На практике обычные газы отличаются от идеальных, такие газы называют реальными.

Голландский учёный Ван-дер-Ваальс для описания свойств реальных газов ввёл поправки в уравнение Клапейрона – Менделеева.

(Р + а/V_m²)(V_m - в) = RT, где

Р' = а/V_m² – внутреннее давление, которое зависит от сил притяжения между молекулами

в - несжимаемый объём, поправка на собственный объём молекул газа.

а, в = const, табличные значения.

Уменьшая температуру и увеличивая давление газы можно превратить в жидкость. Состояние, при котором газ переходит в жидкость, называется критическим и определяется критическими параметрами: Р_кр, Т_кр, V_кр – табличные значения.

В критической точке уравнение Ван-дер-Вальса не применимо, используют следующее уравнение:

PV = bпRT, где

b - коэффициент сжимаемости газа. Определяется по специальной диаграмме, как функция приведённых параметров (давления и температуры).

П = Р/Р_кр; t = Т/Т_кр

В технологических процессах используются смеси газов. Физическое состояние газа определяется не только давлением, температурой, объёмом, но и составом.

Способы выражения состава смеси:

1) Объёмная доля j (фи) или r_i j_i = V_i/V_cм

V_i – объём компонента в смеси

V_cм – объём смеси.

2) Массовая доля - w (омега) w_i = m_i/m_см

m_i – масса данного компонента

m_см – масса смеси

3) Молярная доля х (икс) х_i = п_i/п_cм

п_i – количество данного компонента

п_cм – количество компонента в смеси

для газовой смеси х_i = j_i

х₁+ х₂ +… х_к = 1 (100%) (к – число компонентов)

4) Молярная концентрация с_i =п_i/V_cм

5) Массовая концентрация r_i = m_i/V_cм

Газовые смеси подчиняются закону Дальтона

Р_см = Р₁ + Р₂ + … Р_к (к – число компонентов)

Р₁, Р₂ – парциальные давления (то есть давление, оказываемое каждым компонентом в смеси - Р_i)

Р_см = п_смRT/V_см

Парциальное давление можно рассчитать по формуле:

Р_i = x_i P_см

P_i = п_iRT/V_см

Следствия из закона Дальтона – правило смешения (аддитивности).

1) Свойства газовой смеси равны сумме произведений соответствующих свойств её компонентов на их молярные доли в смеси

А = a₁х₁ + a₂х₂ + … a_kх_k

А – свойство газовой смеси

a₁, a₂,a_k – свойства (соответствующие) компонентов.

2) Молярная масса газовой смеси определяется по формуле

М_см = М₁х₁ + М₂х₂ + … М_kх_k

М – средняя молярная масса газовой смеси.

М₁, М₂, М_k – молярные массы компонентов смеси

Между молярной и массовой концентрацией существуют формулы взаимосвязи.

ρ_i = C_i M_i =

Жидкое состояние вещества

Жидкости занимают промежуточное положение между газами и твёрдыми телами.

Поверхностный слой жидкости, граничащий с другой средой, отличается по свойствам от слоёв, находящихся в объёме жидкости.

Молекулы внутреннего слоя окружены со всех сторон такими же молекулами, то есть силы притяжения взаимоуравновешиваются. Предположим, что жидкость граничит с газом. Молекулы поверхностного слоя находятся под действием сил притяжения со стороны молекул газа и со стороны молекул жидкости (внутренний слой), причем силы притяжения со стороны жидкости больше, чем со стороны газы, таким образом:

Из-за неуравновешенности сил межмолекулярного взаимодействия (сил притяжения) в поверхностном слое всякой жидкости действуют силы, стремящиеся предельно (до min) сократить её поверхность – это силы поверхностного натяжения.

Мерой измерения поверхностного натяжения является коэффициент поверхностного натяжения s (сигма).

s = W/S – это работа W, которую необходимо затратить на образование единицы новой поверхности S.

[s] = Дж/м²

или

s = F/l – это сила F, необходимая и достаточная для предотвращения сокращения длины полосы поверхности жидкости, шириной в 1м – l.

[s] = Н/м.

Факторы, влияющие на поверхностное натяжение:

1) природа жидкости;

2) температура. При повышении температуры поверхностное натяжение уменьшается и достигает нуля при критической температуре (эту зависимость установил в 1860г Д.И. Менделеев и температуру назвал температурой абсолютного кипения жидкостей).

3) примеси: ПАВ – поверхностно активные вещества, они уменьшают поверхностное натяжение жидкости (для воды – это мыла, белки, спирты, аминокислоты)

ПНАВ – поверхностно неактивные вещества, они увеличивают поверхностное натяжение жидкости (для воды – это минеральные кислоты, сульфаты, карбонаты и др. соли)

Используя табличные значения поверхностного натяжения s₀ в качестве стандартов, можно определить опытным путём поверхностное натяжение любой жидкости s_х.

Наиболее простой способ – сталагмометрический (метод счёта капель).

s_х = s₀ r_х n₀ /(r₀ n_x)

r₀, r_х – плотности стандартной и испытуемой жидкости.

n₀, n_x – число капель стандартной и испытуемой жидкости.

При движении одних слоёв жидкости относительно других возникает сопротивление, которое называется внутренним трением или вязкостью.

Вязкость характеризуется коэффициентом внутреннего трения или динамической вязкостью - h (эта).

; - это сила сопротивления F, возникающая между слоями жидкости площадью S = 1м² при расстоянии между ними D l = 1м при перемещении их относительно друг друга со скоростью D u = 1 м/с.

;

Кинематическая вязкость n учитывает внутреннее сопротивление и плотность r жидкости.

n = h/r

[n] = м²/с = 10⁴ Ст (Стокс)

Текучесть – это свойство тела, противоположное вязкости.

f = 1/h; [f] = м²/Н×с = (Па×с)^-1

Вязкость в жидкостях обусловлена внутренним давлением, а в газах – тепловым движением молекул. В газах вязкость мала.

Факторы, влияющие на вязкость:

1) природа жидкости (в гомологических рядах вязкость возрастает)

2) температура (с увеличением температуры вязкость понижается)

3) давление (при повышении давления вязкость возрастает). Вязкость является важным техническим показателем качества смазочных масел, поэтому при подборе масел исследуют их вязкость при низкой и повышенной температуре.

4) концентрация (с увеличением концентрации вязкость возрастает)

Вязкость любой жидкости h_х можно определить экспериментально, используя табличные значения вязкости стандартной жидкости h₀.

Наиболее простой метод – вискозиметрический метод (метод истечения жидкости).

h_х = h₀ × r_х × t_х / (r₀×t₀)

где t_{0 ,} t_{х –} время истечения стандартной и испытуемой жидкости.

Переход вещества из жидкого состояния в газообразное называется парообразованием.

Формы парообразования:

1. Испарение. Пар образуется только на свободной поверхности жидкости при различных температурах.

2. Кипение. Парообразование протекает по всему объёму жидкости при строго определённой температуре, когда давление насыщенного пара жидкости равно давлению среды.

Температура, при которой жидкость кипит под нормальным давлением (101325 Па, 760 мм рт.ст., 1 атм), называется нормальной температурой кипения.

На процесс парообразования жидкости расходуется энергия, то есть необходим постоянный приток энергии.

Количество теплоты, необходимое для испарения 1 моль жидкости при нормальной температуре кипения называется нормальной молярной теплотой испарения Q_исп.,m

Рассчитывается по правилу Троутона

Q_{m исп} = 89,12 × Т_к; [Дж/моль*К]

Т_к – нормальная температура кипения.

Q =n ּ Q_m – формула для расчета нормальной теплоты растворения.

Твёрдое состояние вещества.

Твёрдые тела могут быть кристаллическими и амфорными.

Кристаллические тела имеют кристаллическую решётку, строго определённую температуру плавления, кристаллизации. Амфорные – не имеют.

Свойства твёрдых кристаллических тел определяются типом кристаллических решёток:

1.Ионная кристаллическая решётка характерна для солей, оксидов

2.Атомная кристаллическая решётка (например, сера, кремний, алмаз)

3.Молекулярная кристаллическая решётка (-это органические твёрдые вещества, лед)

4.Металлическая кристаллическая решётка (это металлы).

Дата добавления: 2014-11-18