Рівняння стану ідеального газу
~20 хв · 9 розділів · 9 тестових запитань
Застосування рівняння Менделєєва–Клапейрона pV = (m/M)RT та об'єднаного газового закону p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ для знаходження тиску, об'єму, температури, маси й густини газу, зокрема в задачах зі змінною масою.
Рівняння стану ідеального газу — це фундаментальне співвідношення, яке пов'язує між собою три макроскопічні параметри газу: тиск p, об'єм V і абсолютну температуру T. У найзагальнішому вигляді його записують як рівняння Менделєєва–Клапейрона:
Тут ν — кількість речовини (моль), m — маса газу (кг), M — молярна маса газу (кг/моль), а R — універсальна газова стала, яка дорівнює приблизно 8,31 Дж/(моль·К). Ця стала однакова для всіх ідеальних газів і виникає з добутку сталої Больцмана k на число Авогадро Nₐ: R = k·Nₐ.
З рівняння Менделєєва–Клапейрона випливає ще одна корисна форма: p = n·k·T, де n = N/V — концентрація молекул (кількість молекул в одиниці об'єму). Ця форма показує, що тиск ідеального газу прямо пропорційний концентрації молекул і абсолютній температурі.
Параметри стану газу та одиниці вимірювання
Стан ідеального газу задається трьома величинами: тиском p (у паскалях), об'ємом V (у кубічних метрах) і температурою T (у кельвінах). Масу газу та його хімічний склад указують через кількість речовини ν або пару (m, M).
Перед тим як підставляти числа в рівняння, обов'язково переведи всі величини в СІ:
1 л = 10⁻³ м³ (один літр — це одна тисячна кубічного метра)
1 см³ = 10⁻⁶ м³
1 кПа = 10³ Па (один кілопаскаль — це тисяча паскалів)
1 атм ≈ 10⁵ Па (атмосфера — приблизно сто тисяч паскалів)
T = t + 273 (температура в кельвінах дорівнює температурі в градусах Цельсія плюс 273)
Наприклад, 27 °C = 27 + 273 = 300 К. Якщо цього не зробити, результат буде хибним навіть за правильної формули.
Приклад розрахунку
Візьмемо 2 моль газу в посудині об'ємом 5 л за температури 27 °C. Знайдемо тиск.
Спочатку переведемо величини: V = 5 л = 5·10⁻³ м³, T = 27 + 273 = 300 К. Кількість речовини ν = 2 моль, R = 8,31 Дж/(моль·К).
За формулою p = νRT/V:
Тиск становить приблизно 1,0 МПа (або 1000 кПа). Зверни увагу: якби ми забули перевести літри в кубічні метри, то отримали б хибне значення 997 Па — майже в тисячу разів менше.
Об'єднаний газовий закон — це наслідок рівняння Менделєєва–Клапейрона для випадку, коли маса газу залишається сталою. Якщо ν (а отже, і m) не змінюється, то добуток νR — теж стала величина. Тому з рівняння pV = νRT випливає:
Це співвідношення показує, що для даної маси газу відношення добутку тиску на об'єм до абсолютної температури є незмінним, хоч би як змінювалися окремі параметри.
Переваги об'єднаного газового закону
Головна перевага цього закону в тому, що він дає змогу знайти невідомий параметр газу, не знаючи ні R, ні M, ні маси. Досить знати п'ять із шести величин (p₁, V₁, T₁, p₂, V₂, T₂), щоб обчислити шосту.
Окремі випадки — газові закони
Залежно від того, який параметр залишається незмінним, з об'єднаного газового закону випливають три окремі закони:
Закон | Сталий параметр | Формула | Назва процесу |
|---|---|---|---|
Бойля–Маріотта | T = const | p₁V₁ = p₂V₂ | ізотермічний |
Гей-Люссака | p = const | V₁/T₁ = V₂/T₂ | ізобарний |
Шарля | V = const | p₁/T₁ = p₂/T₂ | ізохорний |
Ці три закони ти детально вивчатимеш у наступному юніті «Ізопроцеси і газові закони». Тут важливо запам'ятати, що всі вони — частинки одного об'єднаного закону.
Нормальні умови та молярний об'єм
Нормальні умови (н. у.) — це стандартний набір параметрів, за яких зручно порівнювати різні гази:
тиск p₀ = 101 325 Па (1 атм)
температура T₀ = 273 К (0 °C)
За нормальних умов один моль будь-якого ідеального газу займає однаковий об'єм — молярний об'єм V_m. Його можна обчислити з рівняння стану:
Це число — 22,4 л/моль — ти часто зустрічатимеш у хімії. У фізиці воно теж корисне: знаючи об'єм газу за н. у., можна швидко знайти кількість речовини: ν = V / 22,4 л.
Приклад застосування
Газ об'ємом 6 л за температури 300 К і тиску 100 кПа перевели в інший стан, де тиск став 200 кПа, а температура — 450 К. Знайдемо новий об'єм.
Запишемо об'єднаний газовий закон:
Підставляємо числа (тиск можна брати в кПа, бо відношення p₁/p₂ не залежить від одиниці, аби вона була однаковою):
Відповідь: 4,5 л. Зверни увагу: температуру обов'язково брати в кельвінах — якби ми підставили 27 °C і 177 °C, результат був би хибним.
Густина газу — це маса одиниці об'єму: ρ = m/V. З рівняння Менделєєва–Клапейрона можна вивести зручну формулу для густини, яка не потребує окремого знання маси:
Ця формула показує, що густина газу прямо пропорційна тиску й молярній масі та обернено пропорційна абсолютній температурі. Іншими словами:
що більший тиск, то більше молекул в одиниці об'єму, отже, густина зростає;
що вища температура, то молекули рухаються швидше й займають більший об'єм за того самого тиску, тому густина зменшується;
за однакових p і T важчі гази (більша молярна маса M) мають більшу густину.
Маса газу через параметри стану
З тієї самої формули можна виразити масу газу, якщо відомі p, V, T і M:
Це дуже зручно, коли газ неможливо зважити, але відомі його тиск, об'єм і температура. Наприклад, оцінимо масу повітря в кімнаті об'ємом 50 м³ за нормального атмосферного тиску 100 кПа й температури 290 К. Молярна маса повітря M ≈ 0,029 кг/моль.
Отже, у звичайній кімнаті міститься приблизно 60 кг повітря — це майже як маса дорослої людини!
Чому повітряна куля піднімається?
Коли повітря в кулі нагрівають, його температура зростає, а тиск залишається приблизно рівним атмосферному (куля відкрита або гнучка). За формулою ρ = pM/(RT) збільшення T при сталому p призводить до зменшення густини гарячого повітря всередині кулі. Густина стає меншою за густину холодного повітря ззовні, тому куля спливає вгору — як дерев'яний брусок у воді.
Кількість речовини й число молекул
З рівняння стану можна також знайти кількість речовини газу:
А знаючи ν, легко обчислити число молекул N = ν·Nₐ, де Nₐ = 6,02·10²³ моль⁻¹ — число Авогадро. Наприклад, у 1 л газу за нормальних умов міститься ν = 1/22,4 ≈ 0,0446 моль, тобто N ≈ 0,0446·6,02·10²³ ≈ 2,7·10²² молекул.
Об'єднаний газовий закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ працює лише тоді, коли маса газу залишається сталою. Якщо ж газ витікає з балона або його накачують у шину, маса (а отже, і кількість речовини ν) змінюється. У таких задачах об'єднаний закон застосовувати не можна — потрібно записати рівняння стану окремо для початкового й кінцевого станів.
Розв'язування задач зі змінною масою
Нехай газ міститься в балоні сталого об'єму V. Спочатку в ньому було ν₁ молів за температури T₁ і тиску p₁. Після витоку частини газу залишилося ν₂ молів за T₂ і p₂. Записуємо рівняння стану для обох випадків:
Поділивши друге рівняння на перше, отримуємо відношення кількостей речовини (а отже, і мас) у двох станах:
Якщо температура не змінюється (T₁ = T₂), то відношення мас дорівнює відношенню тисків:
Це дуже зручний висновок: за сталої температури маса газу в балоні прямо пропорційна тиску.
Приклад: витік газу з балона
У балоні за температури 300 К тиск газу становить 6 атм. Після викиду частини газу тиск упав до 4 атм, а температура не змінилася. Яка частка маси вийшла?
Оскільки T₁ = T₂, маємо m₂/m₁ = p₂/p₁ = 4/6 = 2/3. Отже, в балоні залишилося 2/3 початкової маси, а вийшла 1/3 маси.
Накачування шини й повітряного насоса
Коли ти накачуєш шину велосипеда або автомобіля, насос щоразу додає в шину порцію повітря. Об'єм шини майже не змінюється, тому кількість речовини ν у ній зростає, а разом із нею зростає й тиск (p = νRT/V). Це окремий випадок задачі зі змінною масою, де маса збільшується. Щоб знайти, скільки повітря додалося, записують рівняння стану до й після накачування та віднімають ν₁ від ν₂.
Запам'ятай: об'єднаний газовий закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ працює ТІЛЬКИ для сталої маси газу. Якщо маса змінюється (витік, накачування, з'єднання балонів), завжди записуй рівняння Менделєєва–Клапейрона окремо для кожного стану.
Приклад 1. Тиск газу за відомих маси, об'єму й температури
Завдання: 16 г кисню (M = 0,032 кг/моль) міститься в посудині об'ємом 5 л за температури 27 °C. Знайди тиск газу в кПа, округливши до цілих.
Розв'язання:
Переводимо всі величини в СІ: m = 16 г = 0,016 кг; V = 5 л = 5·10⁻³ м³; T = 27 + 273 = 300 К; M = 0,032 кг/моль.
Записуємо рівняння Менделєєва–Клапейрона: pV = (m/M)·R·T.
Виражаємо тиск: p = (m·R·T) / (M·V).
Підставляємо числа: p = (0,016 · 8,31 · 300) / (0,032 · 5·10⁻³) = (39,888) / (0,00016) = 249 300 Па.
Переводимо в кПа: 249 300 Па ≈ 249 кПа.
Відповідь: 249 кПа.
Чому інші відповіді хибні? Якщо не перевести грами в кілограми (підставити 16 г замість 0,016 кг), отримаємо 249 300 кПа — у 1000 разів більше. Якщо не перевести літри в м³, результат буде 0,25 кПа — у 1000 разів менше. Якщо підставити t = 27 °C замість T = 300 К, отримаємо 22,4 кПа — теж хибно.
Приклад 2. Ізохорний процес — об'єднаний газовий закон
Завдання: Газ об'ємом 3 л за температури 300 К і тиску 200 кПа нагріли до 600 К, не змінюючи об'єму. Яким став тиск у кПа?
Розв'язання:
Оскільки V = const і маса газу не змінюється, застосовуємо закон Шарля (окремий випадок об'єднаного газового закону): p₁/T₁ = p₂/T₂.
Виражаємо p₂: p₂ = p₁ · T₂ / T₁.
Підставляємо: p₂ = 200 · 600 / 300 = 200 · 2 = 400 кПа.
Відповідь: 400 кПа.
Типова помилка: підставити температуру в °C. Якби взяли t₁ = 27 °C і t₂ = 327 °C, то отримали б p₂ = 200 · 327 / 27 ≈ 2422 кПа — хибний результат.
Приклад 3. Густина газу за зміни температури
Завдання: У скільки разів зміниться густина газу, якщо за сталого тиску його абсолютну температуру збільшити вдвічі?
Розв'язання: Густина газу визначається формулою ρ = pM/(RT). За умовою p = const, M = const (газ той самий), R — стала. Отже, ρ ∝ 1/T. Якщо T₂ = 2T₁, то ρ₂ = pM/(R·2T₁) = (1/2)·ρ₁. Густина зменшиться вдвічі.
Відповідь: зменшиться вдвічі.
Чому не «збільшиться вдвічі»? Бо густина обернено пропорційна температурі, а не прямо. Чому не «не зміниться»? Бо за сталого тиску зміна температури змінює об'єм, а отже, і густину.
Приклад 4. Витік газу — змінна маса
Завдання: Балон містив газ під тиском 800 кПа. Частину газу випустили, температура не змінилась, а тиск став 500 кПа. Яку частку маси газу випустили? Відповідь дай у відсотках.
Розв'язання:
Маса газу змінюється, тому об'єднаний газовий закон не працює. Записуємо рівняння стану для двох станів за сталого V і T:
Стан 1: p₁V = (m₁/M)RT; стан 2: p₂V = (m₂/M)RT.
Поділивши друге на перше, отримуємо m₂/m₁ = p₂/p₁ = 500/800 = 5/8 = 0,625.
Отже, в балоні залишилося 62,5% маси, а випустили 100% − 62,5% = 37,5%.
Відповідь: 37,5%.
Типова помилка: застосувати об'єднаний газовий закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂. Оскільки V₁ = V₂ і T₁ = T₂, то за ним p₁ = p₂, що суперечить умові. Це й показує, що закон не можна застосовувати, коли маса змінюється.
Не переводити об'єм у м³, а тиск — у Па. Найпоширеніша помилка: підставляєш об'єм у літрах (л) замість кубічних метрів (м³). Пам'ятай: 1 л = 10⁻³ м³. Якщо в умові тиск дано в кПа, переведи його в Па (1 кПа = 10³ Па), інакше числовий коефіцієнт буде хибним.
Підставляти температуру в °C. Температура в рівнянні стану — тільки в кельвінах. Формула T = t + 273 (або точніше T = t + 273,15) обов'язкова. Забувши додати 273, отримаєш результат, який відрізняється від правильного в кілька разів (більший або менший).
Застосовувати об'єднаний газовий закон, коли маса газу змінюється. Об'єднаний закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ виведено з припущення, що ν = const. Якщо газ витікає або його накачують, маса змінюється — пиши рівняння Менделєєва–Клапейрона окремо для кожного стану.
Плутати R і k. Універсальна газова стала R ≈ 8,31 Дж/(моль·К) — це енергія на один моль. Стала Больцмана k ≈ 1,38·10⁻²³ Дж/К — це енергія на одну молекулу. Їх пов'язує співвідношення R = k·Nₐ. У рівнянні pV = νRT використовуй R, а в p = nkT — k.
Брати молярну масу в г/моль з масою в кг. Якщо масу подано в кілограмах, то й молярна маса має бути в кг/моль. Наприклад, M(O₂) = 0,032 кг/моль, а не 32 г/моль. Якщо ж маса в грамах, то й M можна брати в г/моль, але тоді всі інші величини мають бути узгоджені.
У довідкових матеріалах, які надають на НМТ, є рівняння Клапейрона–Менделєєва та об'єднаний газовий закон. Значення універсальної газової сталої R і молярні маси речовин наводять в умові завдання.
Програма НМТ з фізики (тема 2.1 «Основи молекулярно-кінетичної теорії») вимагає вміння застосовувати рівняння стану й газові закони для розв'язування задач. Завдання можуть бути різних типів:
Завдання з вибором однієї відповіді (№ 1–14, 1 бал) — якісні або прості розрахункові задачі, де потрібно вибрати правильне твердження чи числове значення.
Завдання на встановлення відповідності (№ 15–16, 0–3 бали).
Завдання з короткою відповіддю (№ 17–22, 0 або 2 бали) — число в указаній одиниці вимірювання. Тут особливо важливо стежити за префіксами (кПа, л) і правильно округлювати.
Стратегія розв'язування
Щоб уникнути помилок, дотримуйся такого алгоритму:
Випиши початковий і кінцевий стани газу в таблицю (p, V, T, m). Якщо якийсь параметр не змінюється, познач це.
Переконайся, що всі величини в СІ: тиск у Па, об'єм у м³, температура в К. Якщо ні — переведи.
Визнач, чи змінюється маса газу. Якщо маса стала — застосовуй об'єднаний газовий закон. Якщо маса змінюється — запиши рівняння Менделєєва–Клапейрона для кожного стану окремо.
Вирази невідому величину, підстав числа й обчисли. За потреби округли до вказаної точності.
Перевір розмірність і порядок результату: тиск газу в звичайних умовах — порядку 10⁵ Па, густина повітря — близько 1,2 кг/м³.
Порада: у завданнях з короткою відповіддю записуй лише число (без одиниці вимірювання). Якщо умова просить «у кПа», то відповідь має бути числом у кПа, а не в Па.
Чому в рівнянні стану температура тільки в кельвінах?
Рівняння стану ідеального газу pV = νRT виведено з основного рівняння молекулярно-кінетичної теорії, де фігурує середня кінетична енергія молекул. Ця енергія пропорційна абсолютній температурі: E_к = (3/2)kT. Шкала Кельвіна починається від абсолютного нуля (температура, за якої тепловий рух молекул припиняється), тому вона має фізичний зміст. Шкала Цельсія — умовна, в ній нуль відповідає точці замерзання води, а не відсутності теплового руху. Якщо підставити t у °C, то пропорційність між енергією й температурою зникне, і рівняння стане хибним.
Коли можна користуватися об'єднаним газовим законом, а коли — рівнянням Менделєєва–Клапейрона?
Об'єднаний газовий закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ можна застосовувати лише тоді, коли маса газу не змінюється (ν = const). Він зручний тим, що не потребує знання R, M або m. Якщо ж маса змінюється (газ витікає, його накачують, балони з'єднують), потрібно записувати рівняння Менделєєва–Клапейрона окремо для кожного стану: p₁V₁ = ν₁RT₁, p₂V₂ = ν₂RT₂. Також рівняння Менделєєва–Клапейрона незамінне, коли треба знайти масу, густину або кількість речовини газу.
Чому густина газу залежить від температури, а густина твердого тіла майже ні?
У газах молекули перебувають на великих відстанях одна від одної й вільно рухаються. Об'єм газу визначається не розмірами молекул, а простором, у якому вони рухаються. З підвищенням температури молекули рухаються швидше й «розштовхують» одна одну, тому за сталого тиску об'єм газу зростає, а густина падає. У твердих тілах атоми й молекули розташовані в кристалічній ґратці на фіксованих відстанях, які майже не змінюються з температурою (теплове розширення дуже мале). Тому густина твердого тіла практично не залежить від температури.
Що таке нормальні умови й чому молярний об'єм 22,4 л/моль?
Нормальні умови (н. у.) — це стандартний набір параметрів: тиск p₀ = 101 325 Па (1 атм) і температура T₀ = 273 К (0 °C). За цих умов один моль будь-якого ідеального газу займає однаковий об'єм — молярний об'єм V_m. Його обчислюють із рівняння стану: V_m = RT₀/p₀ = 8,31·273/101325 ≈ 0,0224 м³ = 22,4 л. Це число є наслідком закону Авогадро: в однакових об'ємах різних газів за однакових умов міститься однакова кількість молекул. Тому 22,4 л/моль — універсальна стала для всіх ідеальних газів за н. у.
Рівняння Менделєєва–Клапейрона: pV = (m/M)RT, де R ≈ 8,31 Дж/(моль·К).
Тиск — у Па, об'єм — у м³, температура — у К. 1 л = 10⁻³ м³, 1 кПа = 10³ Па, T = t + 273.
Об'єднаний газовий закон: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂ — лише для сталої маси газу.
Густина газу: ρ = pM/(RT). Маса газу: m = pVM/(RT).
Кількість речовини: ν = pV/(RT). Число молекул: N = ν·Nₐ.
Змінна маса: записуй рівняння стану окремо для кожного стану; за однакових V і T маса пропорційна тиску.
Нормальні умови: p₀ = 101 325 Па, T₀ = 273 К; молярний об'єм V_m ≈ 22,4 л/моль.