Definicja gazu doskonałego, Publikacje z Fizyka

Pobierz Definicja gazu doskonałego i więcej Publikacje w PDF z Fizyka tylko na Docsity!

Definicja gazu doskonałego

Wprowadzenie Przeczytaj Animacja 3D Sprawdź się Dla nauczyciela

Czy to nie ciekawe?

Fizyka opisuje otaczający nas (rzeczywisty) świat. Wiele zjawisk jest jednak tak skomplikowanych, że ścisły ich opis jest bardzo trudny, a często wręcz niemożliwy. Fizycy rozwiązali ten problem tworząc modele różnych zjawisk. Model fizyczny uwzględnia wszystkie podstawowe prawa fizyki rządzące danym zjawiskiem, lecz pomija nieistotne szczegóły, ułatwiając w ten sposób opis zjawiska. Oczywiście, modele fizyczne zwykle dobrze opisują rzeczywistość, jednak trzeba znać zakres ich zastosowań. Na przykład Ziemię można traktować jako punkt materialny, gdy opisujemy jej ruch wokół Słońca, ale nie miałoby to sensu przy opisie jej obrotów wokół własnej osi.

Definicja gazu doskonałego

Przeczytaj

Warto przeczytać

Model gazu doskonałego opiera się na następujących założeniach:

1. Gaz składa się ogromnej liczby cząsteczek poruszających się chaotycznie. Wszystkie kierunki ruchu cząsteczek są jednakowo prawdopodobne, zaś ich zderzenia wzajemne lub zderzenia ze ściankami naczynia możemy opisywać stosując równania Newtona.
2. Cząsteczki gazu traktujemy jak identyczne punkty materialne. Rozmiary cząsteczek są tak małe w porównaniu ze średnimi odległościami między cząsteczkami, że można je pominąć.
3. Zderzenia cząsteczek są sprężyste i natychmiastowe. W zderzeniach spełnione są zasady zachowania energii kinetycznej i pędu.
4. Poza zderzeniami cząsteczki nie oddziałują wzajemnie.

Sprawdźmy, jak te założenia mają się do własności rzeczywistych gazów. Weźmy pod uwagę cząsteczki gazów wchodzących w skład powietrza (w większkości są to azot N i tlen O ). Mają one średnice około 3·10 m. Obliczmy, jaka jest średnia odległość między cząsteczkami powietrza w warunkach normalnych, czyli przy temperaturze 0 C i ciśnieniu 1013,25 hPa. 1 mol gazu zawierający 6,02·10 cząsteczek, w warunkach normalnych zajmuje objętość równą 22,4 dm (2,24·10 m ). Oszacujmy, jaka objętość przypada na jedną cząsteczkę. Aby to obliczyć, należy objętość równą 22,4 dm podzielić przez liczbę cząsteczek:

Aby oszacować średnią odległość między cząsteczkami, należy wyciągnąć pierwiastek trzeciego stopnia z objętości przypadającej na jedną cząsteczkę,

Stosunek odległości między cząsteczkami do średnicy cząsteczki wynosi

Oznacza to, że gdyby średnice cząsteczek powietrza powiększyć do 1 mm, średnia odległość między nimi będzie wynosić 24 cm (Rys. 1.).

Nic dziwnego, że tak odległe cząsteczki przez większość czasu nie oddziałują ze sobą.

2 2

• 0 23 3 -2 3 3

2,24⋅10−2m^3 6,02⋅10^23 = 3, 72 ⋅ 10

−26m (^3).

√^3 3,72⋅10−26m^3 = √^3 372⋅10−24m^3 = 7,2 ⋅ 10−8m.

7,2⋅10− 3⋅10−10^ = 2, 4 ⋅ 10

Rys. 1. Gdyby średnice cząsteczek powietrza w warunkach normalnych powiększyć do 1 mm, średnia odległość między nimi będzie wynosić 24 cm.

Cząsteczki są w ciągłym ruchu i zderzają się ze sobą i ściankami naczynia. Oczywiście podczas zderzenia działają na siebie siłami odpychającymi, zachowana jest przy tym całkowita energia kinetyczna i pęd, a zmieniają się kierunki ruchu cząsteczek. Między zderzeniami ruch cząsteczek jest jednostajny i prostoliniowy, więc tor ruchu jednej wybranej cząsteczki jest linią łamaną (Rys. 2.).

Rys. 2. Cząsteczka gazu porusza się po linii łamanej. Drogi przebyte między kolejnymi zderzeniami są przypadkowe. Średnia droga swobodna to λ¯ = λ^1 +λ^2 +λ n^3 +…+λn

Animacja 3D

Gaz doskonały

Animacja przedstawia cząsteczki gazu doskonałego poruszające się chaotycznie w naczyniu, zderzające się ze sobą i ścianami naczynia.

Polecenie 1

Wymień podstawowe założenia modelu gazu doskonałego.

Polecenie 2 Model gazu doskonałego jest dobrym przybliżeniem dla:

gazów w wysokich temperaturach

bardzo rozrzedzonych gazów jednoatomowych

gazów pod wysokim ciśnieniem

Sprawdź się

Pokaż ćwiczenia: 輸 醙 難

Ćwiczenie 1

Uzupełnij zdania:

• Na ruch cząsteczki gazu doskonałego między zderzeniami mają wpływ inne sąsiednie cząsteczki / nie mają wpływu inne sąsiednie cząsteczki.
• Podczas zderzeń cząsteczek gazu doskonałego całkowita energia kinetyczna cząsteczek nie zmienia się / maleje, bo część energii kinetycznej zamienia się na inne jej formy.
• Między zderzeniami cząsteczki gazu doskonałego poruszają się ruchem jednostajnym prostoliniowym / przyspieszonym lub opóźnionym.
• Średnica cząsteczki gazu doskonałego zależy od składu chemicznego / jest równa zeru.

Ćwiczenie 2

Połącz fragmenty zdań, aby otrzymać prawdziwe stwierdzenia.

1. Zwiększenie temperatury powoduje B. zwiększenie średniej prędkościcząsteczek.
2. Zmniejszenie temperatury powoduje A. zmniejszenie średniej prędkościcząsteczek.

Ćwiczenie 3

Wybierz fragmenty zdań, aby otrzymać prawdziwe stwierdzenie.

{# Powietrza w temperaturze 20 000 K nie można traktować jako gazu doskonałego} / {Powietrze w temperaturze 20 000 K można traktować jako gaz doskonały} {ponieważ średnia energia kinetyczna cząsteczek gwarantuje zderzenia sprężyste.} / {#ponieważ zachodzi jonizacja i zderzenia cząsteczek nie są sprężyste}

Ćwiczenie 8

Oblicz, jaką objętość zająłby 1 mol azotu w warunkach normalnych, gdyby powiększyć go tak, że jego cząsteczki o średnicy około 3·10 m miałyby średnicę piłeczek pingpongowych, czyli 4 cm. Porównaj tę objętość z objętością Ziemi, której promień wynosi 6371 km.

Uzupełnij

Dla nauczyciela

Imię i nazwisko autora: Krystyna Wosińska Przedmiot: Fizyka Temat zajęć: Definicja gazu doskonałego Grupa docelowa: III etap edukacyjny, liceum, technikum, zakres rozszerzony

Podstawa programowa:

Cele kształcenia - wymagania ogólne I. Wykorzystanie pojęć i wielkości fizycznych do opisu zjawisk oraz wskazywanie ich przykładów w otaczającej rzeczywistości. II. Rozwiązywanie problemów z wykorzystaniem praw i zależności fizycznych. Zakres rozszerzony Treści nauczania - wymagania szczegółowe I. Wymagania przekrojowe. Uczeń:

4. przeprowadza obliczenia liczbowe posługując się kalkulatorem;
5. wyodrębnia zjawisko z kontekstu, nazywa je oraz wskazuje czynniki istotne i nieistotne dla jego przebiegu; VI. Termodynamika. Uczeń:
6. posługuje się założeniami teorii kinetyczno‐molekularnej gazu doskonałego.

Kształtowane kompetencje kluczowe:

Zalecenie Parlamentu Europejskiego i Rady UE z 2018 r.:

kompetencje w zakresie rozumienia i tworzenia informacji, kompetencje matematyczne oraz kompetencje w zakresie nauk przyrodniczych, technologii i inżynierii, kompetencje cyfrowe, kompetencje w zakresie umiejętności uczenia się.

Nauczyciel przedstawia definicję gazu doskonałego, następnie uczniowie pod kierunkiem nauczyciela obliczają stosunek odległości między cząsteczkami do średnicy cząsteczki dla azotu w warunkach normalnych i oceniają, czy założenia modelu gazu doskonałego są uzasadnione w tych warunkach. Uczniowie oglądają animację i formułują wniosek o związku temperatury ze średnią prędkością cząsteczek. Po obejrzeniu animacji o ciśnieniu gazu uczniowie wyjaśniają, czym spowodowane jest ciśnienie gazu na ścianki naczynia i od czego zależy. Nauczyciel wprowadza pojęcie średniej drogi swobodnej. Uczniowie pod kierunkiem nauczyciela dyskutują zakres stosowalności modelu gazu doskonałego.

Faza podsumowująca:

Uczniowie wykonują zadania 7 i 8 z zestawu ćwiczeń, a następnie dyskutują wyniki.

Praca domowa:

Zadania 1 - 6 z zestawu ćwiczeń

Wskazówki metodyczne opisujące różne zastosowania danego multimedium:

Animację można obejrzeć i przedyskutować na lekcji, jak również wykorzystać później dla utrwalenia wiadomości, ewentualnie przed lekcją w celu zaciekawienia tematem.