Глава 10. § 68. Газовые законы — с. 230
§ 68. Вопрос 1. Вы надули щёки. При этом и объём, и давление воздуха у вас во рту увеличиваются. Как это согласовать с законом Бойля—Мариотта?
Закон Бойля—Мариотта (pV = const) справедлив только для газа данной массы при постоянной температуре. Когда вы надуваете щёки, в рот из лёгких поступает дополнительный воздух, то есть масса газа во рту увеличивается. Для газа переменной массы действует уравнение pV = (m/M)·RT: рост m при T = const позволяет одновременно увеличиваться и p, и V. Противоречия с законом нет — условие его применимости (m = const) не выполняется.
§ 68. Вопрос 2. Как можно осуществить изотермический, изобарный и изохорный процессы?
Изотермический процесс: газ в цилиндре с поршнем сжимают или расширяют очень медленно, давая ему обмениваться теплом с большим телом (термостатом, например атмосферным воздухом), чтобы температура оставалась равной температуре окружающей среды.
Изобарный процесс: нагревают или охлаждают газ в цилиндре со свободно перемещающимся поршнем; давление под поршнем постоянно и равно сумме атмосферного давления и давления поршня m_п·g/S.
Изохорный процесс: нагревают или охлаждают газ в сосуде постоянного объёма (закрытый баллон, лампочка, газовый термометр постоянного объёма).
Изобарный процесс: нагревают или охлаждают газ в цилиндре со свободно перемещающимся поршнем; давление под поршнем постоянно и равно сумме атмосферного давления и давления поршня m_п·g/S.
Изохорный процесс: нагревают или охлаждают газ в сосуде постоянного объёма (закрытый баллон, лампочка, газовый термометр постоянного объёма).
§ 68. Вопрос 3. Какое состояние системы (газа) считается равновесным?
Равновесным называют состояние, при котором температура и давление во всех точках объёма газа одинаковы и не изменяются со временем. Только для равновесного состояния можно указать значения p, V, T, определяющие состояние системы. Если систему предоставить самой себе, она сама приходит в равновесное состояние, а процесс, при котором все промежуточные состояния равновесны, называют равновесным; только такие процессы можно изображать на графиках.
§ 68. Вопрос 4. Как качественно объяснить газовые законы на основе молекулярно-кинетической теории?
Давление газа создаётся ударами молекул о стенки: p = nkT, оно зависит от концентрации n и средней кинетической энергии молекул (температуры).
Изотермический процесс (T = const): средняя энергия молекул не меняется; при уменьшении объёма концентрация растёт, ударов о стенку за секунду становится больше, и давление растёт обратно пропорционально объёму (закон Бойля—Мариотта).
Изобарный процесс (p = const): при нагревании молекулы движутся быстрее и бьют сильнее; чтобы давление не росло, концентрация должна уменьшаться, то есть газ расширяется, V ∼ T (закон Гей-Люссака).
Изохорный процесс (V = const): концентрация n постоянна; при нагревании скорости молекул растут, удары становятся чаще и сильнее, и давление растёт пропорционально T (закон Шарля).
Изотермический процесс (T = const): средняя энергия молекул не меняется; при уменьшении объёма концентрация растёт, ударов о стенку за секунду становится больше, и давление растёт обратно пропорционально объёму (закон Бойля—Мариотта).
Изобарный процесс (p = const): при нагревании молекулы движутся быстрее и бьют сильнее; чтобы давление не росло, концентрация должна уменьшаться, то есть газ расширяется, V ∼ T (закон Гей-Люссака).
Изохорный процесс (V = const): концентрация n постоянна; при нагревании скорости молекул растут, удары становятся чаще и сильнее, и давление растёт пропорционально T (закон Шарля).