ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 3
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 3. Макро- и микропараметры. Идеальный газ. Основное уравнение МКТ

Как удары отдельных молекул превращаются в давление газа?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как удары отдельных молекул превращаются в давление газа?

Наблюдаем и объясняем

Давление: концентрация и скорость

Меняй один параметр за раз. Сопоставь молекулярные стрелки и вычисленное давление.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

2.5 ×10²⁵ м⁻³
28 а.е.м.
500 м/с

Идеальный газ, m₀ = A·1,66·10⁻²⁷ кг. p = m₀nvкв²/3. Количество нарисованных частиц и размеры сосуда условны.

01

Два уровня: что измеряет прибор и что делает молекула

Давление p, объём V и температура T характеризуют газ как целое: это макропараметры. Масса молекулы m₀, её скорость и средняя кинетическая энергия относятся к микроскопическому описанию. Концентрация n = N/V показывает число частиц в единице объёма.

Концентрацию n не следует путать с количеством вещества ν. Первая имеет единицу м⁻³, второе — моль. При одинаковом числе частиц уменьшение объёма вдвое увеличивает концентрацию вдвое.

Два уровня: что измеряет прибор и что делает молекула: сравнение
МакроописаниеМикроописание
Давление pПередача импульса при ударах
Температура TСредняя энергия хаотического движения
Объём VДоступное частицам пространство

Макропараметры описывают результат коллективного движения множества частиц.

Почему давление почти не колеблется, хотя удары случайны?

Ударов чрезвычайно много. Измерительный прибор усредняет их действие по площади и времени.

02

Идеализация: какие свойства газа упрощаем

В идеальном газе собственным объёмом частиц пренебрегают по сравнению с объёмом сосуда. Между столкновениями взаимодействие не учитывают, столкновения считают упругими. В отсутствие внешних сил частицы между ударами движутся равномерно и прямолинейно.

Приближение лучше работает для достаточно разреженного газа вдали от конденсации. Высокое давление и низкая температура могут сделать размеры частиц и их притяжение существенными. Формулы идеального газа не являются точными для любого реального вещества.

Размеры частиц

Малы относительно расстояний

Взаимодействие

Учитывается в коротких упругих столкновениях

Ограничения

Плотный газ и конденсация требуют другой модели

Идеальный газ — модель с определённой областью применимости.

Означает ли отсутствие взаимодействия между ударами отсутствие давления?

Нет. Давление возникает именно при передаче импульса стенкам во время столкновений.

Схема броуновского движения

Микроскопическая хаотичность совместима с устойчивыми макроскопическими величинами. Давление отражает усреднённую передачу импульса стенке.

Kayau · CC BY 3.0 · Источник. Без изменений.

Жидкостный термометр

Температура — макроскопический параметр. Для расчёта давления дополнительно нужны концентрация частиц и модель газа.

Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.

03

Уравнение: давление через движение

Основное уравнение МКТ: p = (1/3)m₀n⟨v²⟩ = (2/3)n⟨Eк⟩. Здесь ⟨v²⟩ — средний квадрат скорости, а ⟨Eк⟩ = m₀⟨v²⟩/2 — средняя энергия поступательного движения молекулы. Коэффициент 1/3 связан с тремя равноправными направлениями хаотического движения.

Среднеквадратичная скорость vкв = √⟨v²⟩ не совпадает в общем случае со средним модулем скорости. Средняя векторная скорость газа в покое может быть нулевой, хотя средний квадрат скорости положителен.

Через скорость

p = m₀nvкв²/3

Через плотность

p = ρvкв²/3, так как ρ = m₀n

Через энергию

p = 2n⟨Eк⟩/3

Давление связано со средним квадратом скорости, а не с квадратом средней векторной скорости.

Как может газ давить, если средняя скорость равна нулю?

Противоположные векторы взаимно сокращаются, но их квадраты положительны. Удары о стенки продолжаются.

04

Расчёт: меняем один фактор

При ρ = 1,2 кг/м³ и vкв = 500 м/с давление p = 1,2·500²/3 = 100000 Па = 100 кПа. Если при той же плотности скорость увеличить вдвое, давление возрастёт в четыре раза.

В интерактиве сравни влияние концентрации и скорости отдельно. Удвоение числа молекул в том же объёме удваивает давление при прежней средней энергии. А при удвоении объёма без изменения числа частиц концентрация уменьшается вдвое.

Выбрать форму

p = ρvкв²/3

Подставить СИ

1,2·250000/3

Оценить ответ

10⁵ Па — порядок атмосферного давления

При сравнении газов нужно указывать, какие параметры сохраняются.

Всегда ли более тяжёлые молекулы создают большее давление?

Нет. При одинаковых концентрации и температуре средняя поступательная энергия одинакова, поэтому давление тоже одинаково; скорости тяжёлых молекул меньше.

Соберём главное

Шесть выводов

01Макропараметры описывают результат коллективного движения множества частиц.
02Идеальный газ — модель с определённой областью применимости.
03Давление связано со средним квадратом скорости, а не с квадратом средней векторной скорости.
04При сравнении газов нужно указывать, какие параметры сохраняются.
05Концентрация n = N/V отличается от количества вещества ν.
06Переход от молекулярного рисунка к давлению требует статистического усреднения.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Какое допущение используется в модели идеального газа?
2. Что является макроскопическим параметром газа?
3. Чему равна концентрация молекул?
4. Как записывается основное уравнение МКТ?
5. Как изменится давление при удвоении концентрации и неизменных m₀ и ⟨v²⟩?
6. Как изменится давление при удвоении среднеквадратичной скорости при остальных равных условиях?
7. Почему неподвижный в целом газ оказывает давление?
8. Что означает среднеквадратичная скорость?
9. Найдите p при n = 10²⁵ м⁻³, m₀ = 4 · 10⁻²⁶ кг и vкв = 300 м/с.
10. Когда модель идеального газа обычно применима лучше?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 3. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 03. Макро- моль ·K.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…