Какая у газов зависимость объема от температуры
Глава 2. Расчет физико-химических свойств и состава углеводородных газов
Расчет физико-химических свойств и состава углеводородных газов
2.1 Особенности расчета физико-химических свойств газовых смесей. Плотность газов
Общие свойства газовых смесей. По сравнению с молекулами жидкости молекулы газов удалены друг от друга на неизмеримо большие расстояния, чем их собственные размеры. С этим связаны некоторые особые свойства газов, например способность к сжатию со значительным изменением объема, заметное повышение давления с ростом температуры и т.д. Поведение газообразных веществ достаточно полно объясняет кинетическая теория газов, основу которой составляют законы газового состояния Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля [10]. Эти законы могут быть выражены объединенным уравнением (законом) Клайперона-Менделеева
Здесь R – универсальная газовая постоянная, значение которой зависит от выбора системы единиц. Так, в СИ, где давление выражено в паскалях, объем – в кубических метрах и температура – в кельвинах, для одного моля газа R=8,314 Дж/(моль×К).
Зависимость между парциальными давлениями piкомпонентов газовой смеси и общим давлением p в системе устанавливается законом Дальтона
где
.
В соответствии с законом Рауля в условиях равновесия можно записать
или (см. уравнением 1.10)
.
Приведенные выше законы полностью справедливы для идеальных газов. Углеводородные газы и нефтяные пары можно приближенно считать идеальными газами, особенно при невысоких давлениях. При расчетах допустимо использовать все названные законы. Об особых случаях расчета будет сказано ниже.
Напомним, что в приложении к газам существуют нормальные и стандартные условия, которые при одном и том же давлении (101,3 кПа) отличаются только температурой (273 К и 293 К, соответственно для нормальных и стандартных условий). Параметры, характеризующие состояние газа в нормальных условиях, имеют индекс 0 (V, p, T), в стандартных – 20 (V20, p20, T20). Приведение объема газа к нормальным или стандартным условиям легко осуществляется по формулам:
Пример 2.1 В баллоне вместимостью 0,2 м 3 при давлении 3×10 5 Па и температуре 20°С находится газовая смесь, средняя молярная масса которой М=48 г/моль. Определить массу газовой смеси.
Решение. Зная, что число молей равно отношению массы вещества к его молярной массе, запишем уравнение Клапейрона-Менделеева в виде pV=(m/M)RT. Выразим массу газа m: m=pVM/RT. Подставив известные значения параметров, определим массу газа:
Пример 2.2 Газ при давлении 230 кПа и температуре 46°С занимает объем 1,5 м 3 . Привести объем газа к нормальным условиям.
Решение. Нормальный объем газа определим, имея в виду, что Т=273 К и р=101,3 кПа,
Плотность. Как и для жидкости, плотность газа может быть выражена абсолютным или относительным значением. Абсолютная плотность газа равна его массе в единице объема, в СИ она выражается в килограммах на кубический метр (кг/м 3 ). Величину, обратную плотности, называют удельным объемом и измеряют в кубических метрах на килограмм (м 3 /кг).
При определении относительной плотности газов и паров нефтепродуктов в качестве стандартного вещества берется воздух при нормальных условиях (Т=273 К, r=101,3 кПа). Отношение массы газа m к массе воздуха mв, взятых в одинаковых объемах и при тех же температуре и давлении, дает относительную плотность газа:
Масса любого идеального газа при нормальных условиях равна его молярной массе, поделенной на объем, занимаемый одним молем, т.е.
, где — плотность газа при нормальных условиях.
Тогда для относительной плотности газа по воздуху можно записать
– молярная масса воздуха, г/моль.
Если записать уравнение Клапейрона-Менделеева в виде m/V=pM/RТ, нетрудно увидеть, что левая часть представляет собой плотность газа r, т.е.
Формула (2.2) дает возможность подсчитать истинную плотность газа при любых температуре и давлении.
Существует другая модификация уравнения Клапейрона-Менделеева, также позволяющая определить плотность газа при любых условиях:
(2.3)
Результаты, получаемые по формулам (2.2) и (2.3), одинаковы. Плотность некоторых индивидуальных газов в зависимости от изменения температуры можно, кроме того, найти по графикам и таблицам [11].
Пример 2.3. Относительная плотность газа равна 1,10. Определить его абсолютную плотность при 150°С и 750 кПа.
Решение. Найдем молярную массу газа:
Абсолютную плотность газа определим по формуле (2.3):
Тот же ответ получим, воспользовавшись формулой (2.2), однако в этом случае нужно выразить М в килограммах на моль (умножить на 10 -3 ), чтобы привести в соответствие с единицами измерения универсальной газовой постоянной.
Плотность газовой смеси может быть подсчитана по формулам для жидкой смеси (см.§1.2). Учитывая, что для газов объемные доли равны молярным, в приложении к газовой смеси можно записать
Значения плотности и некоторых других свойств индивидуальных газов приведены в прил.16.
ЗАДАЧИ
2.1. Определить вместимость баллона, в который можно закачать
6 м 3 газа, измеренного при нормальных условиях. Максимальное давление в баллоне 15 МПа.
2.2. Во сколько раз возрастет давление в герметичном газовом резервуаре, если температура окружающего воздуха повысится с 10 до 24°С?
2.3. При давлении 360 кПа и температуре 400 К газ занимает объем 1,2 м 3 . Найти число молей газа.
2.4. Газ в количестве 9 кг находится в сосуде вместимостью 3 м 3 при 298 К и 462 кПа. Найти молярную массу газа.
2.5. Определить объем газа при нормальных условиях, если при температуре 120°С и давлении 790 кПа его объем равен 16,3 м 3 .
2.6. Используя уравнение (2.1), найти плотность метана и этана при нормальных условиях.
2.7. Определить плотность пропана при 150 кПа и 80°С.
2.8. Средняя молярная масса водородсодержащего газа, применяемого в процессе каталитического риформинга, равна 3,5 г/моль. Рассчитать плотность этого газа при 450°С и 3 МПа.
2.9. Газовая смесь состоит из метана и водорода, парциальные давления которых равны
Определить содержание (в молярных долях) компонентов смеси.
2.10. Рассчитать плотность газовой смеси, состоящей из 14 кг пропана, 11 кг этана и 8 кг этилена. Плотности индивидуальных газов взять в прил.16.
2.11. Смешали 3 моля пропана и 7 молей пропилена. Какова плотность полученной смеси?
2.12. Относительная плотность газовой смеси по воздуху равна 1,3. При какой температуре абсолютная плотность станет равной 7 кг/м 3 , если давление в системе составляет 640 кПа?
2.13. Природный газ Астраханского происхождения имеет следующий состав (в объемных процентах): СН4 – 47,48; С2Н6 – 1,92; С3Н8 – 0,93; С4Н10 – 0,56; С5Н12 –3,08; N2 –1,98; СО2 – 21,55; Н2S – 22,5. Определить плотность газа при нормальных условиях.
Источник
Уравнение Клапейрона-Менделеева. Связь между числом молей газа, его температурой, объемом и давлением.
Уравнение Клапейрона-Менделеева. Связь между числом молей газа, его температурой, объемом и давлением.
Калькулятор ниже предназначен для решения задач на использование уравнения Клапейрона-Менделеева, или уравнение состояния идеального газа. Некоторая теория изложена под калькулятором, ну а чтобы было понятно, о чем идет речь — пара примеров задач:
Примеры задач на уравнение Менделеева-Клапейрона
В колбе объемом 2,6 литра находится кислород при давлении 2,3 атмосфер и температуре 26 градусов Цельсия .
Вопрос: сколько молей кислорода содержится в колбе?
Вопрос: Каков объем этого газа при нормальных условиях? (Напомню, что нормальными условиями для газов считается давление в 1 атмосферу и температура 0 градусов Цельсия)
В калькулятор вводим начальные условия, выбираем, что считать (число моль, новые объем, температуру или давление), заполняем при необходимости оставшиеся условия, и получаем результат.
Уравнение Клапейрона-Менделеева. Связь между числом молей газа, его температурой, объемом и давлением.
Теперь немного формул.
где
P — давление газа (например, в атмосферах)
V — объем газа (в литрах);
T — температура газа (в кельвинах);
R — газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K).
Если используется СИ, то газовая постоянная равна 8,314 Дж/K·моль
Так как m-масса газа в (кг) и M-молярная масса газа кг/моль, то m/M — число молей газа, и уравнение можно записать также
где n — число молей газа
И как нетрудно заметить, соотношение
есть величина постоянная для одного и того же количества моль газа.
И эту закономерность опытным путем установили еще до вывода уравнения. Это так называемые газовые законы — законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.
Так, закон Бойля-Мариотта гласит (это два человека):
Для данной массы газа m при неизменной температуре Т произведение давления на объем есть величина постоянная.
Закон Гей-Люссака (а вот это один человек):
Для данной массы m при постоянном давлении P объем газа линейно зависит от температуры
Закон Шарля:
Для данной массы m при постоянном объеме V давление газа линейно зависит от температуры
Посмотрев на уравнение, нетрудно убедиться в справедливости этих законов.
Уравнение Менделеева-Клапейрона, также как и опытные законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля справедливы для широкого интервала давлений, объемов и температур. То есть во многих случаях эти законы удобны для практического применения. Однако не стоит забывать, что когда давления превышают атмосферное в 300-400 раз, или температуры очень высоки, наблюдаются отклонения от этих законов.
Собственно, идеальный газ потому и называют идеальным, что по определению это и есть газ, для которого не существует отклонений от этих законов.
Источник
Объем, масса, плотность, удельный объем. Приведение к нормальным и стандартным условиям и пересчет
Приведение к нормальным и стандартным условиям
Единицей измерения объема газа является кубический метр (м³). Измеренный объем приводится к нормальным физическим условиям.
Нормальные физические условия: давление 101 325 Па, температура 273,16 К (0 °С).
Стандартные условия: давление 101 325 Па, температура 293,16 К (+20 °С).
В настоящее время эти обозначения выходят из употребления. Поэтому в дальнейшем следует указывать те условия, к которым относятся объемы и другие параметры газа. Если эти условия не указываются, то это значит, что параметры газа даны при 0 °С (273,16 °К) и 760 мм рт. ст. (1,033 кгс/см²). Иногда объем газа (особенно в иностранной литературе и нормах) при пользовании системой СИ приводится к 288,16 °К (+15 °С) и давлению 1 бар (105 Па).
Если известен объем газа при одних условиях, то пересчитать его в объемы при других условиях можно с помощью коэффициентов, приведенных следующей таблице.
Коэффициенты для пересчета объемов газа из одних условий в другие
| Температура и даление газа | 0 °С и 760 мм рт. ст. | 15 °С и 760 мм рт. ст. | 20 °С и 760 мм рт. ст. | 15 °С (288,16 °К) и 1 бар |
| 0 °С и 760 мм рт. ст. (норм. условия) | 1 | 1,055 | 1,073 | 1,069 |
| 15 °С и 760 мм рт. ст. (в зар. литературе) | 0,948 | 1 | 1,019 | 1,013 |
| 20 °С и 760 мм рт. ст. (ст. условия) | 0,932 | 0,983 | 1 | 0,966 |
| 15 °С (288,16 °К) и 1 бар (СИ) | 0,936 | 0,987 | 1,003 | 1 |
Для приведения объемов газа к 0 °С (273,16 °К) и 760 мм рт. ст. (1,033 кгс/см²), а также к 20 °С (293,16 °К) и 760 мм рт. ст. (1,033 кгс/см²) могут быть применены следующие формулы:
где V0 °С и 760 мм рт. ст. — объем газа при 0 °С и 760 мм рт. ст., м³;
V20° С и 760 мм рт. ст. — объем газа при 20 °С и 760 мм рт. ст., м³;
VP — объем газа в рабочих условиях, м³;
р — абсолютное давление газа в рабочих условиях, мм рт. ст.;
Т — абсолютная температура газа в рабочих условиях, °К.
Пересчет объемов газа, приведенных к 0 °С и 760 мм рт. ст., а также к 20 °С и 760 мм рт. ст., в объемы при других (рабочих) условиях можно производить по формулам:
Любой газ способен расширяться. Следовательно, знание объема, который занимает газ, недостаточно для определения его массы, так как в любом объеме, целиком заполненном газом, его масса может быть различной.
Масса — это мера вещества какого-либо тела (жидкости, газа) в состоянии покоя; скалярная величина, характеризующая инерционные и гравитационные свойства тела. Единицы массы в СИ — килограмм (кг).
Плотность, или масса единицы объема, обозначаемая буквой p, — это отношение массы тела m, кг, к его объему, V, м³:
или с учетом химической формулы газа:
где M — молекулярная масса,
VМ — молярный объем.
Единица плотности в СИ — килограмм на кубический метр (кг/м³).
Зная состав газовой смеси и плотность ее компонентов, определяем по правилу смешения среднюю плотность смеси:
Величину, обратную плотности, называют удельным, или массовым, объемом (ν) и измеряют в кубических метрах на килограмм (м³/кг).
Как правило, на практике, чтобы показать, на сколько 1 м³ газа легче или тяжелее 1 м³ воздуха, используют понятие относительная плотность d, которая представляет собой отношение плотности газа к плотности воздуха:
Данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, определяемой положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Для получения информации об условиях сотрудничества, пожалуйста, обращайтесь к сотрудникам ГК «Газовик».
Бесплатная телефонная линия: 8-200-2000-230
© 2007–2020 ООО «Газ-Сервис». Все права защищены.
Использование материалов сайта без разрешения владельца запрещено и будет преследоваться по закону.
Источник
Источник
Конспекты записать в тетрадь
Тема: Тепловое равновесие
• Тепловое равновесие – это состояние, которое самопроизвольно устанавливается между любыми телами с разной температурой, приведёнными в контакт.
• Главной характеристикой теплового равновесия является температура.
• Температура характеризует степень нагретости тел и определяет направление теплообмена между телами (тепло всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому).
• В состоянии теплового равновесия кроме температуры остаются неизменными и другие макроскопические параметры системы.
• Макроскопическими параметрами называются величины, которые характеризуют состояние макроскопических тел, без учёта их молекулярного строения.
• Самыми распространёнными из них являются объём, давление и температура.
В тепловом равновесии могут находится и газы.
• Закон Авогадро: в равных объёмах любых газов при одинаковых давлениях и температурах содержится равное число молекул.
• При тепловом равновесии средние кинетические энергии молекул всех газов одинаковы.
• Температура в этом случае выступает мерой средней кинетической энергии движения молекул.
К – постоянная Больцмана
Т – абсолютная температура
Единица измерения Т – кельвин (К)
• Абсолютную температуру определяют по шкале Кельвина.
• Нулевая температура на этой шкале соответствует абсолютному нулю.
• Абсолютным нулём называют температуру, при которой должно прекратится тепловое движение молекул.
Один кельвин и один градус шкалы Цельсия совпадают.
• Зависимость давления газа от концентрации его молекул и абсолютной температуры выражается формулой:
Р = n кТ
Решите задачи: № 466, 477, 479
Тема: Уравнение состояния идеального газа
• Состояние данной массы газа характеризуется тремя макроскопическими параметрами: давлением, объёмом и температурой.
• Уравнение, которое устанавливает взаимосвязь между давлением, объёмом и температурой газа называют уравнением состояния идеального газа.
Произведение постоянной Больцмана на постоянную Авогадро называется универсальной газовой постоянной.
R – универсальная газовая постоянная
• Из уравнения Менделеева – Клапейрона вытекает взаимосвязь между Р, V и Т идеального газа, который может находиться в двух любых состояниях.
Уравнение состояния идеального газа в форме Клапейрона:
• Нормальные условия – это физические условия, определяемые давлением 101300 Па (или примерно 105 Па) и температурой 273 К.
Решите задачи
Тема: Газовые законы
• Количественные зависимости между двумя параметрами газа при неизменном значении третьего параметра и постоянной массе газа, называются газовыми законами.
Закон Бойля – Мариотта:
• Для газа данной массы произведение давления газа на его объём постоянно, если температура газа не меняется.
Этот закон экспериментально был открыт английским учёным Р. Бойлем (1662г.) и несколько позже французским учёным Э. Мариоттом (1676 г.).
• Процесс, в котором не меняются масса газа и его температура, называется изотермическим процессом.
Закон Гей – Люссака:
• Для газа данной массы отношение объёма газа к его температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Этот закон был установлен экспериментально в 1802 г. французским учёным Жозефом Гей – Люссаком.
• Процесс, в котором не меняются масса газа и его давление, называется изобарным процессом.
Для решения задач:
График зависимости объёма газа от температуры
Источник
1. Кем и когда проводился опыт, в чем состояла его цель
Первый газовый закон был открыт Робертом Бойлем и опубликован в 1660 г. в работе «Новые эксперименты, касающиеся воздушной пружины». Р. Бойль на основе тщательно поставленного количественного эксперимента доказал, что «упругости [давления] газа обратно пропорциональны объемам». В ходе исследований им была предпринята попытка количественно исследовать зависимость объема сжатого газа от температуры. Однако точных данных, подтверждающих эту зависимость, Р. Бойль не получил.
Исследования по расширению воздуха при нагревании проводил Г. Амонтон. Позднее аналогичные опыты ставили А. Вольта, Д. Дальтон, Дж. Пристли, Т. Соссюра и др.
Считается, что первые удовлетворительные измерения при исследовании теплового расширения газов получил в 1801 г. английский физик и химик Джон Дальтон (1766–1844 гг.). Он обнаружил, что кислород, водород и углекислый газ при нагревании вели себя одинаково.
|
По полученным результатам Д. Дальтон в чрезвычайно осторожной форме формулирует вывод: «В общем, я не вижу достаточной причины, мешающей нам заключить, что все «упругие» газы при одном и том же давлении одинаково расширяются при нагревании».
Аналогичный вывод получил Ж. Л. Гей-Люссак в 1802 г. Но его утверждение было более определенным, чем высказывание Д. Дальтона. Видимо, поэтому закон о тепловом расширении газов называют не именем Д. Дальтона, а именем Ж. Л. Гей-Люссака.
Прибор, которым пользовался Гей-Люссак, показан на Рис. 2. Газ, тщательно осушенный, находится в баллончике. В трубке находится капля ртути, запирающая газ. Трубки расположены горизонтально, поэтому изменения давления при расширении не происходит.
|
Пятнадцатью годами раньше Гей-Люссака (в 1787 г.) исследования этого вопроса были, без какой бы то ни было публикации, предприняты французским физиком Жаком Шарлем (1746–1823 гг.). Шарль нашел, что кислород, азот, углекислый газ и воздух расширяются одинаково в интервале температур между 0 и 100 ºС. Гей-Люссак знал о работах коллеги и настоял на том, чтобы второй газовый закон носил имя Жака Александра Сезара Шарля. Следует отметить, что в некоторых странах, в том числе и в России, этот закон известен все же как закон Гей-Люссака. В публикациях по истории науки приоритет открытия третьего газового закона – закона изменения давления газа в зависимости от температуры – обычно не обсуждается. Исследованием этой зависимости, как и зависимости объема газа от температуры, занимались многие ученые, изучавшие свойства газов в XVII–XVIII столетиях. История открытия закона теплового расширения газов связана с историей изобретения и усовершенствования термометров.
Первым прибором для измерения «жары» и «холода» в теле является воздушный термоскоп Г. Галилея (1597 г.). Суть опыта, который послужил толчком к созданию термоскопа, состояла в следующем. Небольшую колбу, размером с яйцо, с длинным и тонким, как пшеничный стебель, горлышком, опущенным в чашу с водой, согревают руками. Если убрать руки, то вода из чаши, по мере остывания воздуха в колбе, начнет подниматься в горлышко. Бенедетто Кастелли, ученик Г. Галилея, в 1638 г. пишет: «Этот эффект вышеупомянутый синьор Галилей использовал для изготовления инструмента для определения степени жары и холода».
Эванджелиста Торричелли преобразовал воздушный термоскоп Г. Галилея в жидкостный (спиртовый) термометр. Термометр Э. Торричелли – так называемый «флорентийский термометр» – был очень удобен в использовании и поэтому получил в XVII веке всеобщее признание. Термометры этого типа были введены в Англии Р. Бойлем, они быстро распространились и во Франции.
Усовершенствованием воздушного термометра Г. Галилея занимался Г. Амонтон – французский физик, член Парижской академии наук (1699 г.). В 1702 г. он сконструировал термометр, очень похожий по своей принципиальной схеме на современный газовый. Термометр Г. Амонтона представлял собой U-образную стеклянную трубку, более короткое колено которой заканчивалось резервуаром, содержащим воздух. В длинное колено наливалась ртуть в количестве, необходимом для поддержания постоянства объема воздуха в резервуаре. По высоте столба ртути определялась температура воздуха в резервуаре.
|
Интересно отметить, что, работая с этим инструментом, именно Амонтон нашел прямо пропорциональную зависимость между температурой и давлением газа и пришел к понятию абсолютного нуля, который по его данным соответствовал температуре в –239,5 °С (1703 г.).
В 1954 X Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой — тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °C, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.
2. Приборы и материалы, необходимые для постановки опыта, принципиальная схема опытной установки
Установки для опытов по исследованию зависимости давления газа от температуры при постоянном объеме были достаточно сложными.
|
Рассмотрим принципиальную схему экспериментальной установки для исследования зависимости давления газа от температуры при постоянном объеме. Основной частью такой установки является большая колба, в которой находился газ. Колба помещается в сосуд с водой. Об изменении давления газа можно судить по показаниям ртутного манометра, соединенного с колбой. Температура газа измеряется с помощью ртутного термометра.
|
Ж. Шарль исследовал зависимость давления от температуры для следующих газов: кислород, азот, углекислый газ и воздух.
3. Порядок проведения опыта
Наполнив колбу тающим льдом, Шарль измерял давление, соответствующее температуре 0 ºС. Затем температура воды в большом сосуде менялась, что приводило к изменению высоты столба ртути в манометре. Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, Шарль отмечал температуру газа по термометру, а соответствующее давление – по манометру.
При проведении опыта влияние ряда факторов искажало ход эксперимента. Во-первых, вследствие нагревания, колба с газом частично меняла свой объем, соответственно строгое постоянство объема исследуемого газа не обеспечивалось. Во-вторых, газ, находящийся в так называемом «вредном пространстве» (в тонкой подводящей к манометру трубке), не нагревался так же, как в колбе. В-третьих, наличие в газе примесей (в частности, конденсирующихся паров) приводило к тому, что часть составляющих газ компонентов при повышении давления переходило в жидкое состояние. Действовали и другие факторы.
Попытки ученых исключить вредное воздействие побочных эффектов на ход эксперимента и приводили, как правило, к усложнению конструкции установки.
4. Основные результаты опыта
Опыты Ж. Шарля показали следующие результаты.
Приращение давления газа некоторой массы при нагревании на 1 ºС составило определенную часть αpтого давления, которое имел газ при температуре 0 ºС. Таким образом, приращение давления оказалось пропорциональным приращению температуры.
Величину αp называют температурным коэффициентом давления. Исследовав ряд газов, Шарль получил для них примерно одинаковое значение температурного коэффициента давления, а именно величину, равную примерно 1/273 ºС–1.
Таким образом, давление некоторой массы газа при нагревании на 1 ºС при неизменном объеме увеличивается на 1/273 часть давления, которое эта масса газа имела при 0 ºС.
5. Объяснение результатов опыта
В современной формулировке этот закон звучит следующим образом:
При неизменном объеме отношение давления данной массы газа к его абсолютной температуре есть величина постоянная.
Математически закон Ж. Шарля можно записать в виде:
Закон Шарля может быть записан в виде:
где P0 – давление газа при T = T0 = 273,15 К (то есть при температуре 0 °С). Коэффициент, равный 1/273,15 К–1, называют температурным коэффициентом давления.
На рисунке представлена зависимость давления данной массы газа от его температуры. Для различных температур газа расположение кривой зависимости на координатной плоскости различно. Изохоры, изображающие зависимость P от T для газа, который подчиняется закону Шарля, представляют собой прямые линии, располагающиеся на графике тем выше, чем меньше объем.
|
Закон Шарля справедлив только для идеального газа. Он применим с определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и невысоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и пр.)
Объяснение закону, установленному Шарлем, может быть дано с позиций молекулярно-кинетических представлений о строении вещества.
С точки зрения молекулярной теории возможны две причины увеличения давления данного газа: во-первых, может увеличиться число ударов молекул за единицу времени на единицу площади; во-вторых, возможно увеличение импульса, передаваемого при ударе стенки сосуда одной молекулой. И та, и другая причина требуют увеличения скорости молекул (при этом объем данной массы газа остается неизменным). Отсюда становится ясным, что повышение температуры газа как макрохарактеристики соответствует увеличению скорости беспорядочного движения молекул как характеристики микромира.
При очень высоких давлениях увеличивается взаимодействие между молекулами газа и наблюдаются отклонения от линейного закона Шарля.
Закон Шарля выводится как частный случай из уравнения Менделеева–Клапейрона:
где R – универсальная газовая постоянная (R = 8,31441 Дж/моль∙К), ν – число молей вещества, P – давление газа, V – объем газа, T – температура газа.
Он может быть получен как следствие основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа:
где k = 1,38 Дж/К – постоянная Больцмана.
Источник