Номер 4, страница 41 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

4. При выполнении каких условий справедлив каждый из законов изопроцессов в реальном газе?

Законы изопроцессов (закон Бойля-Мариотта, закон Гей-Люссака и закон Шарля) были выведены для модели идеального газа. Идеальный газ — это теоретическая модель, в которой пренебрегают собственным объемом молекул и силами межмолекулярного взаимодействия. Реальные газы состоят из молекул, которые имеют конечный размер и взаимодействуют друг с другом. Поэтому законы изопроцессов для реальных газов справедливы лишь приближенно и при определенных условиях.

Основное условие, при котором поведение реального газа приближается к поведению идеального, — это состояние сильной разреженности газа. Такое состояние достигается при низких давлениях и высоких температурах. Во-первых, при низком давлении среднее расстояние между молекулами становится настолько большим, что их собственный объем оказывается пренебрежимо малым по сравнению с объемом сосуда. Во-вторых, при высокой температуре кинетическая энергия молекул значительно превышает потенциальную энергию их взаимодействия, поэтому силами притяжения и отталкивания между молекулами можно пренебречь.

Рассмотрим условия для каждого из законов изопроцессов в отдельности.

Изотермический процесс (закон Бойля-Мариотта)

Для постоянной массы газа при постоянной температуре ($T = \text{const}$) произведение давления на объем остается постоянным: $PV = \text{const}$. Этот закон будет справедлив для реального газа, если процесс проводится при температуре, значительно превышающей критическую температуру данного газа. При таких температурах газ невозможно сконденсировать ни при каком давлении, и силы межмолекулярного притяжения играют незначительную роль. Кроме того, давление в ходе процесса должно оставаться достаточно низким, чтобы можно было пренебречь собственным объемом молекул.

Ответ: Закон Бойля-Мариотта для реального газа справедлив при достаточно низких давлениях и высоких температурах (значительно выше критической).

Изобарный процесс (закон Гей-Люссака)

Для постоянной массы газа при постоянном давлении ($P = \text{const}$) отношение объема к абсолютной температуре остается постоянным: $V/T = \text{const}$. Для выполнения этого закона в реальном газе необходимо, чтобы поддерживаемое постоянное давление было низким. При низком давлении газ является разреженным, и отклонения от идеальности минимальны. Также температуры, при которых протекает процесс, должны быть высокими, чтобы кинетическая энергия молекул преобладала над энергией взаимодействия.

Ответ: Закон Гей-Люссака для реального газа справедлив, если процесс протекает при низком постоянном давлении и в области высоких температур.

Изохорный процесс (закон Шарля)

Для постоянной массы газа при постоянном объеме ($V = \text{const}$) отношение давления к абсолютной температуре остается постоянным: $P/T = \text{const}$. Этот закон будет хорошо описывать поведение реального газа, если постоянный объем, в котором находится газ, достаточно велик. Это соответствует низкой плотности газа, при которой можно пренебречь как объемом молекул, так и взаимодействием между ними. Как и в предыдущих случаях, температуры должны быть высокими.

Ответ: Закон Шарля для реального газа справедлив, если процесс протекает при большом постоянном объеме (низкой плотности) и в области высоких температур.