Сборник задач по физике Курс лекций по физике Оптика Кинематика Теплопроводность

Лекции по физике теория газов

Закон Дальтона

До сих пор мы говорили о давлении какого-нибудь одного газа — кислорода, водорода и т. п. Но в природе и в технике мы очень часто имеем дело со смесью нескольких газов. Самый важный пример этого — воздух, являющийся смесью азота, кислорода, аргона, углекислого газа и других газов.

Газовой смесью понимается смесь отдельных газов, вступающих между собой ни в какие химические реакции. Каждый газ (компонент) в смеси независимо от других газов полностью сохраняет все свои свойства и ведет себя так, как если бы он один занимал весь объем смеси.

От чего зависит давление смеси газов?

Поместим в колбу кусок вещест­ва, химически связывающего кисло­род из воздуха (например, фосфор), и быстро закроем колбу пробкой с труб­кой. присоединенной к ртутному манометру. Через некоторое время весь кислород воздуха соединится с фосфором. Мы увидим, что манометр покажет меньшее давление, чем до удаления кислорода. Значит, присутствие кислорода в воздухе увеличивает его давление.

Точное исследование давления смеси газов было впервые произведено английским химиком Джоном Дальтоном в 1809 г.

Джон Дальтон (англ. John Dalton) родился 6 сентября 1766 в Иглсфилд, Великобритания — умер 27 июля 1844, Манчестер, Великобритания), английский физик и химик, сыгравший большую роль в развитии атомистических представлений применительно к химии. Открыл несколько законов, получивших позднее его имя.

Установил (1803 г.) закон кратных отношений, ввел понятие «атомный вес», первым определил атомные веса (массы) ряда элементов. Открыл газовые законы, названные его именем.

Считается, что первое точное описание цветовой слепоты дал в 1794 г. английский химик Дальтон, а точнее - Долтон (John Dalton). Поэтому данным аномалиям было дано название "дальтонизм".

Англичанин Джон Дальтон, несмотря на свое отклонение, прожил 78 лет.

У него были три брата и одна сестра, двое братьев тоже страдали цветослепотой на красный цвет.

В то время еще ничего не знали о генах и законах, управляющих наследственностью, но Дальтон очень подробно описал свой семейный дефект и своё восприятие мира. Благодаря описанию своего дефекта, его имя уже 200 лет известно каждому школьнику.

Дальтонизм привлёк к себе внимание в связи с развитием транспорта, широкого распространения цветовой рекламы и цвето-сигнализации.

История много раз учила нас, что все гениальные люди воспринимали окружающий их мир, природу и явления не так, как все. Именно им мы обязаны новым открытиям и изобретениям.

Цветослепые на один цвет и люди с пониженным цветовым зрением воспринимают краски окружающего их мира иначе, но часто не замечают своего отличия от других. Не замечают его иногда и окружающие. Так, Дальтон, который не различал красный цвет, не знал о своей цветовой слепоте до 26 лет.

Стремясь понять, почему газы в атмосфере составляют смесь с определенными физическими свойствами, а не располагаются друг под другом слоями соответственно своей плотности, он установил, что поведение данного газа не зависит от состава смеси; сформулировал закон парциальных давлений газов, обнаружил зависимость растворимости газов от их парциального давления.

Давление, которое имел бы каждый из газов, составляющих смесь, если бы удалить остальные газы из объема, занимаемого смесью, называют парциальным давлением этого газа. Дальтон нашел, что давление смеси газов равно сумме парциальных давлений их компонентов(закон Дальтона).

Закон Дальтона гласит: Давление смеси равно сумме парциальных давлений газов, образующих смесь. . Давления называется парциальными.

Объяснение

Рассмотрим газ, состоящий из молекул различных веществ, который находится в объёме V. Вследствие хаотического теплового движения молекулы каждой компоненты смеси будут распределены по объёму равномерно, т.е. так как если бы остальные компоненты газа отсутствовали. Из–за постоянных соударений молекул друг с другом, сопровождающихся частичным обменом между ними импульсами и энергиями, в смеси устанавливается тепловое равновесие. Всё это приводит к тому, что давление каждой из компонент смеси не будет зависеть от присутствия остальных.

Тогда результирующее давление определяется суммарным давлением всех компонентов.

Заметим, что к сильно сжатым газам закон Дальтона неприменим, так же как и закон Бойля — Мариотта.

Первое начало термодинамики (ПНТ)

Допустим, что некоторая термодинамическая система (например, газ, заключенный в цилиндр под поршнем), обладая внутренней энергией U1, получила некоторое количество теплоты Q и, перейдя в новое состояние, характеризующееся внутренней энергией U2, совершила работу А над внешней средой, т.е. против внешних сил. В этом случае Q=U2-U1+A или

 Q=DU+A. (4)

 Уравнение (4) выражает ПНТ: теплота, сообщаемая системе, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил.

Для бесконечно малых процессов выражение (4) записывают в дифференциальной форме dQ=dU+dA или в более корректной форме

 , (5)

поскольку только dU является полным дифференциалом, а dQ и dА полными дифференциалами не являются.

Из формулы (5) следует, что в СИ количество теплоты выражается в тех же единицах, что работа и энергия, т.е. в джоулях (Дж).

Если система периодически возвращается в первоначальное состояние, то изменение ее внутренней энергии DU=0. Тогда, согласно (4) А= Q , т.е. вечный двигатель первого рода, который совершал бы большую работу, чем сообщенная ему извне энергия, не возможен. Это одна из формулировок первого начала термодинамики.

Теплопроводность. Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью. Процесс теплопередачи не сопровождается переносом вещества. Различные вещества имеют различную теплопроводность. Наименьшей теплопроводностью обладает вакуум (пустота), так как в нем нет частиц, которые могли бы обмениваться энергией. Чем меньше частиц в веществе, тем меньше его теплопроводность (газы).
На главную