Идеальный газ представляет собой удобную физическую модель, с использованием которой можно успешно решать многие практические проблемы реальных газов. В данной статье рассмотрим вопросы, что понимают под молярным объемом газа и как его вычислять.
Идеальный газ и его отличие от реального
Следует сразу сказать, что все газы, которые известны человеку, являются реальными. Тем не менее в большинстве случаев их можно считать идеальными. В последних полагают, что взаимодействия между атомами и молекулами не существует, и их размеры пренебрежимо малы, по сравнению со средними межмолекулярными расстояниями. Эти условия с высокой точностью соблюдаются в следующих случаях:
- давление в газах низкое (порядка 1 атмосферы);
- абсолютная температура высокая (300 К и выше);
- составляющие газ молекулы и атомы являются химически инертными, то есть они не способны образовывать друг с другом никакие типы химических связей.
Вам будет интересно:Значение слова индиго: тайна необычных детей
Примером идеальной смеси газов является воздух, который в основном состоит из инертных молекул N2 и O2. Наоборот, водяной пар практически ни при каких давлениях не может считаться идеальным газом из-за существования между его полярными молекулами водородных связей.
Закон Клапейрона-Менделеева
Этот закон позволяет определить любой термодинамический параметр газовой идеальной системы, если известны два других параметра. Речь идет о таких термодинамических характеристиках, как температура T, объем V и давление P. Закон Клапейрона-Менделеева полезно рассмотреть в рамках данной темы статьи, поскольку с его помощью легко определить молярный объем газа идеального.
Закон Клапейрона-Менделеева записывается в виде следующего уравнения:
P*V = n*R*T.
Часть величин уже была описана выше. Величина n - это количество вещества в молях, буквой R обозначена универсальная постоянная для всех газов (8,314 Дж/(моль*К)).
Принцип Авогадро
Изучая в начале XIX века различные газы, итальянский ученый Амедео Авогадро пришел к важному экспериментальному открытию. Он установил, что объем, который занимают газы при постоянных условиях, оказывается прямо пропорциональным количеству вещества и не зависит от химического состава. Под постоянными условиями имеется в виду одинаковая температура и давление для всех газов в эксперименте.
Если положить T, P = const в уравнении Клапейрона-Менделеева, то мы получим математическую формулировку принципа или закона Авогадро:
n/V = const.
То есть при увеличении числа частиц в газовой системе ее объем растет пропорциональным образом.
В некоторых учебниках по физике формулируют следующим образом закон Авогадро: молярный объем газов при одинаковых температурах и давлениях является величиной постоянной, не зависящей от химической природы газовых частиц.
Из описанного принципа Авогадро можно вывести закон Джона Дальтона о парциальных давлениях газовых смесей, согласно которому парциальное давление компонента прямо пропорционально его атомной доле в газовой смеси.
Вычисление молярного объема газа при нормальных условиях
Речь идет об объеме, который в пространстве занимает 1 моль идеального газа при заданных условиях (температура, давление). Для вычисления этой величины воспользуемся уравнением Клапейрона-Менделеева. Из него получаем формулу для объема газовой системы:
V = n*R*T/P.
Поскольку мы вычисляем молярный объем, то n = 1 моль, тогда:
V = 8,314*T/P.
Подставляя в эту формулу интересующие нас значения температуры и давления, мы может рассчитать молярный объем идеального газа. Например, при нормальных условиях (0 oC и 1 атм.), получаем:
V = 8,314*273,15/101325 = 0,0224 м3.
Переводя в более удобные на практике единицы измерения объема, получаем V = 22,4 литра. Заметим, что в формулу мы подставили давление в паскалях и температуру в кельвинах. Обе единицы используются в качестве основных в системе СИ.
