πЕГЭ · ИИ-репетитор12 предметов · задания ФИПИ
Главная → Физика → Курс теории → №7

№7. МКТ: основное уравнение, уравнение состояния и средняя энергия молекул

Задание №7 проверяет умение работать с уравнением состояния идеального газа и с основными положениями МКТ: по графику процесса или по двум состояниям газа нужно найти температуру, объём или количество вещества. Почти все задачи решаются одной формулой pV = νRT — но только если аккуратно перевести единицы и правильно взять отношения величин.

Модель идеального газа: молекулы — очень маленькие упругие шарики, силы притяжения между ними пренебрежимо малы, а столкновения абсолютно упругие. Давление газа создаётся ударами молекул о стенки сосуда: чем чаще удары и чем они сильнее, тем больше давление. Температура в МКТ — мера средней кинетической энергии теплового движения молекул: чем быстрее движутся молекулы, тем выше температура. Именно поэтому абсолютный нуль температуры — это состояние, при котором тепловое движение молекул прекращается.

pV = νRT · p = (1/3)·n·m₀·v² = (2/3)·n·E_к · E_к = (3/2)·k·T

Разберём буквы. ν — количество вещества в молях, ν = m/M, где M — молярная масса; R = 8,31 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах, поэтому обязательно T = t + 273. Концентрация молекул n = N/V измеряется в 1/м³, m₀ — масса одной молекулы в килограммах, v² — средний квадрат скорости молекул, k = 1,38·10⁻²³ Дж/К — постоянная Больцмана. Вторая форма записи основного уравнения МКТ получается из первой с помощью E_к = (3/2)·k·T.

Что дано в задачеЧто делатьПример численного шага
Две точки на диаграмме p–V, количество газа не меняетсявзять отношение: T₂/T₁ = (p₂V₂)/(p₁V₁)p₂ = 3p₁ и V₂ = (4/3)V₁ дают T₂ = 4T₁
Изохорный процесс и график p(T)записать p₁/T₁ = p₂/T₂ и выразить T₂T₂ = (3·10⁴ Па · 300 К)/(1·10⁴ Па) = 900 К
Известны ν, T и давление pвыразить объём: V = νRT/pV = (2 моль · 8,31 Дж/(моль·К) · 300 К)/103750 Па = 0,048 м³ = 48 л
Известны p, V и νвыразить температуру: T = pV/(νR)T = (1,2·10⁵ Па · 8,3·10⁻³ м³)/(0,2 моль · 8,31 Дж/(моль·К)) ≈ 600 К
Два графика: давление и объём от времениснять значения в нужный момент и перевести в СИ1,2 атм = 1,2·10⁵ Па, 8,3 л = 8,3·10⁻³ м³

Типичные ошибки. 1) Подставляют температуру в градусах Цельсия: в уравнение состояния входит только абсолютная температура T = t + 273. 2) Оставляют объём в литрах или давление в кПа: R = 8,31 Дж/(моль·К) рассчитана на кубические метры и паскали. 3) Делят множитель давления на множитель объёма вместо умножения: из pV = νRT следует T₂/T₁ = (p₂/p₁)·(V₂/V₁). 4) Считают процесс изопроцессом, хотя на графике меняются обе координаты: тогда работает объединённый газовый закон, а не p/T = const. 5) Путают количество вещества ν (моли) с концентрацией n (1/м³): это разные величины, ν = m/M, а n = N/V. 6) Считают, что средняя квадратичная скорость зависит только от температуры: она зависит ещё и от массы молекулы.

Проверь себя

  1. Почему в уравнение состояния нужно подставлять температуру в кельвинах, а не в градусах Цельсия?
  2. Как из pV = νRT получить объединённый газовый закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂?
  3. Что произойдёт со средней кинетической энергией молекул, если абсолютная температура вырастет в 3 раза? А со средней квадратичной скоростью?
  4. Как по графику в осях p–V узнать, во сколько раз изменилась температура, если количество газа не менялось?
  5. В каких единицах измеряются ν, n, R и k и что означает каждая из этих величин?

Показательные решения

Разбор из банка: температура по двум состояниям на диаграмме p–V
В сосуде находится некоторое количество идеального газа. Во сколько раз изменится температура газа, если он перейдет из состояния 1 в состояние 2 (см. рис.)?
Решение по шагам
  1. Дано: диаграмма в осях p–V, на которой одна и та же масса газа переходит из состояния 1 в состояние 2. С осей видно, что p₂ = 3p₁ и V₂ = (4/3)V₁. Нужно найти, во сколько раз изменилась абсолютная температура газа.
  2. Количество вещества не меняется, поэтому применим уравнение состояния идеального газа pV = νRT и его следствие для двух состояний: p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂.
  3. Выражаем температуру второго состояния: T₂ = T₁·(p₂V₂)/(p₁V₁).
  4. Подставляем множители: p₂V₂ = 3p₁ · (4/3)V₁ = 4p₁V₁, следовательно T₂ = 4T₁.
  5. Проверка размерности: мы ищем отношение температур, поэтому паскали, кубические метры и кельвины сокращаются, и результат безразмерный — 4.
  6. Проверим правдоподобность на числах: если T₁ = 300 К, то T₂ = 1200 К. Температура выросла, и это логично: и давление, и объём увеличились.
  7. Ответ: температура увеличилась в 4 раза, то есть 4.

Ответ: 4

Официальное решение из банка ФИПИ

Согласно уравнению Клапейрона — Менделеева, при любых процессах с фиксированным количеством идеального газа величина pV/T остается постоянной. Из диаграммы видно, что p₂ = 3p₁, а V₂ = 4/3 V₁. Следовательно: T₂ = T₁ p₂/V₂ p₁V₁ = T₁ (3p₁ · 4/3 V₁)/(p₁V₁) = 4T₁. Ответ: 4.

Разбор из банка: изохорный нагрев по графику p(T)
На рисунке изображено изменение состояния постоянной массы разреженного аргона. Температура газа в состоянии 1 равна 27 °C. Какая температура соответствует состоянию 2? Ответ выразите в Кельвинах.
Решение по шагам
  1. Дано: график зависимости давления газа от температуры, из которого видно, что объём не меняется, — процесс изохорный. Начальное состояние: p₁ = 1·10⁴ Па, T₁ = 300 К (это 27 °C), конечное давление p₂ = 3·10⁴ Па. Нужно найти конечную температуру T₂.
  2. Для изохорного процесса при неизменном количестве вещества выполняется закон Шарля: p₁/T₁ = p₂/T₂.
  3. Выражаем неизвестную температуру: T₂ = p₂·T₁/p₁.
  4. Подставляем числа: T₂ = (3·10⁴ Па · 300 К)/(1·10⁴ Па) = 900 К.
  5. Проверка размерности: паскали в числителе и знаменателе сокращаются, остаются кельвины — именно то, что нужно найти.
  6. Обрати внимание на температуру: 27 °C в вычислении участвуют как 300 К, а не как 27. Если подставить 27, получится 81 К, что физически бессмысленно.
  7. Ответ: 900 К, то есть 900.

Ответ: 900

Официальное решение из банка ФИПИ

Из графика видно, что процесс изохорный. В таком процессе выполняется соотношение p₁/T₁ = p₂/T₂, откуда получаем: T₂ = (p₂ T₁)/(p₁) = (3·10⁴ Па · 300 К)/(1·10⁴ Па) = 900 К. Ответ: 900.

Разбор из банка: объём сосуда из уравнения Менделеева — Клапейрона
Два моля идеального газа, находящегося в закрытом сосуде при температуре 300 К, начинают нагревать. График зависимости давления p этого газа от времени t изображен на рисунке. Чему равен объем сосуда, в котором находится газ? Ответ выразите в литрах и округлите до целого числа.
Решение по шагам
  1. Дано: количество вещества ν = 2 моль, температура T = 300 К, по графику находим давление p = 103,75 кПа = 103750 Па. Нужно найти объём сосуда V.
  2. Уравнение Менделеева — Клапейрона: pV = νRT. Выражаем объём: V = νRT/p.
  3. Подставляем числовые значения: V = (2 моль · 8,31 Дж/(моль·К) · 300 К)/(103750 Па).
  4. Считаем по действиям: сначала числитель 2 · 8,31 · 300 = 4986 Дж, затем деление 4986 Дж / 103750 Па ≈ 0,048 м³.
  5. Проверка размерности: (моль · Дж/(моль·К) · К)/Па = Дж/Па = (Н·м)/(Н/м²) = м³ — объём получился в кубических метрах.
  6. В ответе просят литры, поэтому переводим: 0,048 м³ · 1000 = 48 л (в одном кубическом метре тысяча литров).
  7. Ответ: 48 л, то есть 48.

Ответ: 48

Официальное решение из банка ФИПИ

Из уравнения Менделеева — Клапейрона получаем: V = ν RT/p = (2 моль · 8,31 Дж/ (моль · К) · 300 К)/(103750 Па) = 0,048 м³ = 48 л. Ответ: 48.

Открыть раздел в тренажёре

← Все разделы курса по физике · Решать задания №7