Физика · 10 класс1 четвертьТема 2Лабораторная работаГОСО РК 2026Углубленный

Идеальный газ в МКТ. Основное уравнение МКТ газов. Температура

Модель идеального газа. Давление газа с точки зрения МКТ. Основное уравнение МКТ идеального газа: p = 1/3 n m₀ v_кв² = 2/3 n E_k. Абсолютная температура Кельвина. Постоянная Больцмана k. Связь температуры и средней кинетической энергии: E_k = 3/2 k T. Средняя квадратичная скорость.

Время изучения~75 минтеория + практика
Разделы темы5 разд.пошаговый разбор
Тест темы3 вопр.с мгновенным ответом
СОР / СОЧ1 четвертьдескрипторы ГОСО

Для математического описания газовых законов в физике используют теоретическую модель — идеальный газ.

Идеальный газ — физическая модель реального газа, удовлетворяющая следующим критериям:

1. Собственным объемом молекул газа можно пренебречь по сравнению с объемом сосуда (молекулы рассматриваются как материальные точки);

2. Силы межмолекулярного взаимодействия на расстоянии отсутствуют (потенциальная энергия взаимодействия равна нулю: Eпот = 0);

3. Соударения молекул между собой и со стенками сосуда являются абсолютно упругими механическими ударами;

4. Время соударения пренебрежимо мало по сравнению со временем свободного пробега между столкновениями.

Реальные разреженные газы (воздух, гелий, азот, водород) при комнатных температурах и атмосферном давлении с колоссальной точностью ведут себя как идеальный газ.

МАТЕРИАЛЬНЫЕ ТОЧКИ

Vмолекул ≈ 0

Объем самих молекул ничтожен по сравнению со свободным объемом сосуда.
УПРУГИЕ СОУДАРЕНИЯ

Eмех = const

При соударениях сохраняются кинетическая энергия и импульс.

Состояние макроскопического объема газа характеризуется двумя группами физических параметров:

1. Макроскопические параметры — параметры, характеризующие состояние всей системы в целом и измеряемые приборами: давление p (манометр), объем V (геометрия сосуда), абсолютная температура T (термометр).

2. Микроскопические параметры — характеристики отдельных молекул: масса молекулы m₀, её скорость v, кинетическая энергия Ek, импульс p₀, концентрация молекул n = N / V.

Давление идеального газа обусловлено триллионами упругих ударов хаотически движущихся молекул о стенку сосуда. При каждом упругом ударе молекула массы m₀, налетающая со скоростью vx, передает стенке импульс: Δp = m₀·vx - (-m₀·vx) = 2·m₀·vx. Суммарный импульс всех ударов в единицу времени, отнесенный к площади, создает постоянное макроскопическое давление p = F / S.

Концентрация молекул газаЧисло Лошмидта
n=N/V=(ρ⋅NA)/Mn = N / V = ( \rho \cdot N_A) / M
где n — концентрация молекул (м⁻³), N — число молекул в объеме V (м³), ρ — плотность газа (кг/м³).
Число Лошмидта
При нормальных условиях в 1 м³ любого газа содержится n₀ = 2.69 · 10²⁵ молекул (постоянная Лошмидта)!

Рассматривая статистическое распределение проекций скоростей молекул по трем взаимно перпендикулярным направлениям (vx2 = vy2 = vz2 = 1/3 · v²), получают фундаментальное соотношение МКТ.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа (уравнение Клаузиуса):

p = 1/3 · n · m₀ · vкв2,

где n — концентрация молекул, m₀ — масса одной молекулы, vкв — среднеквадратичная скорость молекул.

Поскольку произведение n · m₀ равно плотности газа ρ = m / V, уравнение можно записать через плотность:

p = 1/3 · ρ · vкв2.

Учитывая, что средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна Ek = (m₀ · vкв2) / 2, основное уравнение МКТ принимает вид:

p=2/3⋅n⋅Ekp = 2/3 \cdot n \cdot E_k.

Физический смысл: давление идеального газа прямо пропорционально произведению концентрации молекул на их среднюю кинетическую энергию поступательного движения!

Основное уравнение МКТСвязь микро и макро
p=1/3⋅n⋅m0⋅vкв2=1/3⋅ρ⋅vкв2=2/3⋅n⋅Ekp = 1/3 \cdot n \cdot m_0 \cdot v_{\text{кв}}^2 = 1/3 \cdot \rho \cdot v_{\text{кв}}^2 = 2/3 \cdot n \cdot E_k
где p — давление газа (Па), n — концентрация (м⁻³), m₀ — масса молекулы (кг), vкв — среднеквадратичная скорость (м/с), Ek — кинетическая энергия (Дж).
Связь микро и макро
Основное уравнение МКТ напрямую связывает макропараметр (давление p) с микропараметрами (m₀, vкв, Ek).

В 1848 году английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) ввел абсолютную термодинамическую шкалу температур.

Связь шкалы Кельвина и шкалы Цельсия:

T = t + 273.15 (T в Кельвинах, t в °C).

Абсолютный ноль температуры (T = 0 К = -273.15 °C) — предельная теоретическая температура, при которой полностью прекращается поступательное тепловое движение молекул идеального газа (Ek = 0, p = 0).

Фундаментальное уравнение Больцмана: средняя кинетическая энергия поступательного теплового движения молекулы идеального газа прямо пропорциональна абсолютной температуре и не зависит от массы молекулы:

Ek=3/2⋅k⋅TE_k = 3/2 \cdot k \cdot T,

где k — постоянная Людвига Больцмана: k = R / NA ≈ 1.38 · 10⁻²³ Дж / К.

Подставляя Ek в основное уравнение МКТ (p = 2/3 · n · Ek), получаем важнейшую формулу давления:

p=n⋅k⋅Tp = n \cdot k \cdot T.
Связь энергии и температуры БольцманаУниверсальность E_k
E_k = 3/2 · k · T; p = n · k · T; k = 1.38 · 10⁻²³ Дж/К
где Ek — кинетическая энергия молекулы (Дж), k — постоянная Больцмана (Дж/К), T — абсолютная температура (К), n — концентрация (м⁻³).
Универсальность E_k
При одинаковой температуре T молекула тяжелого ксенона и легкого водорода обладают абсолютно одинаковой средней кинетической энергией Ek!

Из уравнения кинетической энергии Ek = (m₀ · vкв2) / 2 = 3/2 · k · T выражается среднеквадратичная скорость теплового движения молекул:

vкв = √(3 · k · T / m₀) = √(3 · R · T / M),

где R = 8.314 Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная, M — молярная масса газа (кг/моль).

Закономерности скорости:

1. Скорость прямо пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры (vкв ~ √T);

2. Чем легче молекула, тем колоссальнее ее скорость при одной и той же температуре (vкв ~ 1/√M). При 20 °C скорость молекул азота и кислорода в воздухе составляет ~500 м/с (скорость пули!), а молекул водорода H₂ — почти 1900 м/с!

Опыт Отто Штерна (1920 г.): прямое экспериментальное измерение скоростей атомов серебра с помощью двух коаксиальных быстро вращающихся цилиндров в глубоком вакууме блестяще подтвердило теоретическую формулу Максвелла.

Формула среднеквадратичной скоростиРасчет скорости
vкв=3⋅R⋅T/M=3⋅k⋅T/m0=3⋅p/ρv_{\text{кв}} = \sqrt{3 \cdot R \cdot T / M} = \sqrt{3 \cdot k \cdot T / m_0} = \sqrt{3 \cdot p / \rho }
где vкв — среднеквадратичная скорость (м/с), R = 8.314 Дж/(моль·К), T — температура (К), M — молярная масса (кг/моль).
Расчет скорости
Для кислорода O₂ (M = 0.032 кг/моль) при T = 300 К: vкв = √(3 · 8.31 · 300 / 0.032) ≈ 483 м/с.
Ваш прогресс по теме25%
Шпаргалка формул10 класс
Количество вещества:
ν=N/NA=m/M \nu = N / N_A = m / M[моль]
Основное уравнение МКТ газов:
p=1/3⋅n⋅m0⋅vкв2=2/3⋅n⋅Ekp = 1/3 \cdot n \cdot m_0 \cdot v_{\text{кв}}^2 = 2/3 \cdot n \cdot E_k[Па]
Связь температуры и кинетической энергии:
Ek=3/2⋅k⋅TE_k = 3/2 \cdot k \cdot T[Дж]
Давление идеального газа:
p=n⋅k⋅Tp = n \cdot k \cdot T[Па]
Следующая тема

Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы и изопроцессы

Перейти к теме →