Номер 8, страница 275 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Вопросы. Параграф 48. Законы идеального газа. Глава 7. Основы молекулярно-кинетической теории и термодинамики. Молекулярная физика и термодинамика - номер 8, страница 275.

Условие.

8. Сформулируйте закон Шарля. Объясните его с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Решение.

Сформулируйте закон Шарля.

Закон Шарля (также известный как первый закон Гей-Люссака) гласит, что для данной массы идеального газа при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.

Математически закон выражается следующей формулой:

$\frac{V}{T} = \text{const}$

Здесь $V$ — это объём газа, а $T$ — его абсолютная температура (измеренная в кельвинах). Это соотношение справедливо для изобарного процесса, то есть процесса, который протекает при постоянном давлении ($p = \text{const}$) и неизменной массе газа ($m = \text{const}$).

Объясните его с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Согласно молекулярно-кинетической теории (МКТ), давление газа на стенки сосуда является результатом многочисленных ударов его молекул об эти стенки. Величина давления зависит от двух основных факторов: частоты ударов молекул и силы каждого отдельного удара.

При изобарном нагревании (нагревании при постоянном давлении) происходят следующие процессы:

1. Повышение температуры газа означает увеличение средней кинетической энергии его молекул ($E_k = \frac{3}{2}kT$). В результате молекулы начинают двигаться со значительно большей средней скоростью.

2. Увеличение скорости молекул приводит к тому, что они начинают сталкиваться со стенками сосуда чаще и с большей силой. Если бы объем сосуда оставался постоянным, это неизбежно привело бы к росту давления.

3. Однако, по условию, процесс является изобарным, то есть давление должно оставаться постоянным. Для сохранения постоянного давления необходимо, чтобы увеличение силы ударов молекул было скомпенсировано уменьшением их частоты.

4. Уменьшение частоты ударов молекул о стенки достигается за счет увеличения объема, занимаемого газом. В большем объеме молекулам приходится преодолевать большее расстояние между последовательными столкновениями со стенками, что и приводит к снижению частоты ударов.

Таким образом, чтобы поддерживать давление постоянным при увеличении температуры, объем газа должен пропорционально увеличиваться. Это объясняет прямую зависимость между объемом и абсолютной температурой, установленную законом Шарля.

Ответ: Закон Шарля утверждает, что при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре ($\frac{V}{T} = \text{const}$). С точки зрения молекулярно-кинетической теории, это объясняется тем, что при нагревании газа увеличивается скорость движения его молекул. Чтобы давление, создаваемое ударами молекул о стенки, оставалось неизменным, газ должен расшириться. Увеличение объема приводит к уменьшению частоты ударов, что компенсирует возросшую силу каждого удара.