Глава 8. Резюме (Summary)¶
8.1 Давление газа¶
Газы оказывают давление, представляющее собой силу, отнесённую к единице площади. Давление газа может быть выражено в единице СИ — паскале или килопаскале, а также во многих других единицах, в том числе в торрах (миллиметрах ртутного столба), атмосферах и барах. Атмосферное давление измеряют барометром; давления других газов измеряют манометрами различных типов.
8.2 Связь давления, объёма, количества и температуры: уравнение состояния идеального газа¶
Поведение газов описывается несколькими законами, основанными на экспериментальных наблюдениях их свойств. Давление заданного количества газа прямо пропорционально его абсолютной температуре при постоянном объёме (закон Амонтона). Объём заданного образца газа прямо пропорционален его абсолютной температуре при постоянном давлении (закон Шарля). Объём заданного количества газа обратно пропорционален его давлению при постоянной температуре (закон Бойля). При одинаковых температуре и давлении равные объёмы любых газов содержат одинаковое число молекул (закон Авогадро).
Уравнения, описывающие эти законы, являются частными случаями уравнения состояния идеального газа \(PV = nRT\), где \(P\) — давление газа, \(V\) — его объём, \(n\) — количество вещества газа, \(T\) — его абсолютная температура (в кельвинах), а \(R\) — универсальная газовая постоянная.
8.3 Стехиометрия газообразных веществ, смесей и реакций¶
Уравнение состояния идеального газа позволяет получить ряд удобных выражений, связывающих непосредственно измеряемые величины со свойствами, интересующими нас при работе с газообразными веществами и смесями. Соответствующие преобразования уравнения состояния идеального газа позволяют рассчитывать плотности газов и их молярные массы. Закон парциальных давлений Дальтона позволяет связывать измеренные давления газовых смесей с их составом. Закон Авогадро используют в стехиометрических расчётах химических реакций с участием газообразных исходных веществ или продуктов.
8.4 Эффузия и диффузия газов¶
Газообразные атомы и молекулы движутся в пространстве свободно и хаотично. Диффузия — процесс, при котором газообразные атомы и молекулы переносятся из области относительно высокой концентрации в область относительно низкой концентрации. Эффузия — сходный процесс, при котором газообразные частицы переходят из сосуда в вакуум через очень малые отверстия. Скорости эффузии газов обратно пропорциональны квадратным корням из их плотностей или из масс их атомов/молекул (закон Грэма).
8.5 Кинетико-молекулярная теория¶
Кинетико-молекулярная теория — простая, но весьма эффективная модель, успешно объясняющая поведение идеального газа. В этой теории предполагается, что газы состоят из удалённых друг от друга молекул пренебрежимо малого объёма, находящихся в непрерывном движении и упруго сталкивающихся как друг с другом, так и со стенками сосуда; средние скорости молекул определяются их абсолютной температурой. Отдельные молекулы газа имеют различные скорости, распределение которых зависит от температуры газа и массы его молекул.
8.6 Поведение реальных газов¶
Молекулы газа обладают конечным объёмом и испытывают взаимное притяжение. Поэтому поведение газа не всегда хорошо описывается уравнением состояния идеального газа. При низких давлениях и высоких температурах эти факторы пренебрежимо малы, уравнение состояния идеального газа точно описывает поведение газа, и говорят, что газ ведёт себя как идеальный. Однако при более низких температурах и более высоких давлениях для учёта конечных размеров молекул и сил притяжения между ними требуются поправки на молекулярный объём и межмолекулярные взаимодействия. Уравнение Ван-дер-Ваальса — модифицированный вариант уравнения состояния идеального газа, позволяющий учесть неидеальное поведение газов в этих условиях.