Тиск ідеального газу

Перш ніж вести мову про те, що таке тиск ідеального газу, слід уточнити саме зміст поняття «ідеальний газ». А поняття це характеризує математичну модель, універсальну формулу, яка передбачає, що розподіл потенційної і кінетичної енергії взаємодіючих молекул таке, що величиною потенційної енергії можна знехтувати. Хіміко-фізичний зміст полягає в тому, що передбачається абсолютна пружність стінок судин, в яких знаходиться газ, а крім того, визнається нікчемною величина сил тяжіння молекул, імпульсів їх удару об стінки судини і один про одного.

Таке розуміння сутності ідеального газу знаходить дуже широке застосування в області вирішення проблем термодинаміки газів.

У фізичному сенсі розрізняються різновиди ідеального газу: класичний, властивості якого визначаються класичними законами механіки, і квантовий, характер якого виводиться з принципів квантової механіки.

Першим вивів загальне рівняння великий французький фізик Бенуа? Клапейро? Н. Він же розробив і основні принципові положення вчення про ідеальний газі, які покладені в основу всіх сучасних теорій, що вивчають різні гази.

Вихідним положенням цього вчення є висновок про те, що тиск ідеального газу є величиною незмінною при лінійному характері залежності його об'єму від температури. При цьому необхідно враховувати деякі умовні допущення:

— діаметр молекули ідеального газу малий до допустимості нехтування його велічіной-

— імпульс між молекулами може передаватися тільки при зіткненнях, таким чином, можна знехтувати і силою тяжіння між ними-

— сумарна величина енергії молекул газу визнається константою, при відсутності теплообміну і роботи, що здійснюється над цим газом. У даному випадку тиск ідеального газу залежить від суми величин імпульсів, які створюються при зіткненні молекул зі стінками посудини.

За час існування вчення багато вчених займалися дослідженням фізико-хімічної природи газів, причому підходи у багатьох з них були неоднакові. Це призвело до того, що у фізичній теорії розглядають класифікацію ідеального газу з точки зору тих закономірностей, які поклав в основу свого дослідження той чи інший фізик - Фермі-газ, Бозе-газ та інші. Так, наприклад, згідно еквівалентному підходу, що розглядається газ одночасно задовольняє законам і Бойля-Маріотта і Гей-Люссака: pV = bT, де р - тиск, Т - абсолютна температура. Формула Менделєєва дає вже більш розлоге уявлення про властивості: pV = m / М х RT, де позначені: R - газова постійна, M - молярна маса, m - маса.

Одним з найбільш ранніх і розроблених навчань про властивості газів був опис такої властивості як тиск ідеального газу. Але в цій концепції були деякі недоліки, пов'язані з одностороннім підходом до дослідження. Так, навіть вимірявши величину тиску, ми не зможемо з'ясувати параметри середніх значень кінетичної енергії кожної з окремо взятих молекул, а також концентрацію цих молекул в посудині. Тому потрібно ще якийсь параметр, за допомогою використання якого можна вирішити виниклу задачу. В якості такої величини фізиками була запропонована температура. Ця скалярная величина в термодинаміки дає уявлення про те, в якому тепловому стані перебуває система і яка її динаміка. Але в теорії газів температура має важливе значення і як молекулярно-кінетичний параметр, тому що описує поведінку молекул газу в посудині, а також відображає їх середню кінетичну енергію. Це значення називається константою Больцмана.

Щоб при пошуку формули тиску не входити в складності вищої математики, необхідно штучно ввести деякі спрощення:

— форму молекул представимо у вигляді шара-

— відстань між молекулами представимо нескінченно великим, що виключає дію сил тяжіння-

— швидкості руху молекул встановимо на усередненому рівні-

— представимо стінки судини абсолютно пружними.

Звідси можна вивести формулу, в якій тиск ідеального газу буде являти собою частка від ділення величини сили, що діє перпендикулярно на стінку судини, на площу поверхні, на яку ця сила діє: p = F / S.

У тих же випадках, коли наші спрощення не діють, щоб встановити, як зміниться тиск ідеального газу, в цю просту формулу необхідно буде вводити додаткові значення.