Номер 2, страница 133 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. При каких условиях свойства реальных газов близки к свойствам идеального газа?

1. Модель идеального газа является упрощенной теоретической моделью, которая описывает гипотетический газ, состоящий из точечных частиц, не имеющих собственного объема и не взаимодействующих друг с другом на расстоянии (кроме упругих столкновений). Реальные газы состоят из молекул или атомов, которые имеют конечный размер и между которыми действуют силы межмолекулярного взаимодействия (силы притяжения и отталкивания).

Ограничения применимости модели идеального газа для описания свойств реальных газов проявляются в условиях, когда пренебречь собственным объемом молекул и силами межмолекулярного взаимодействия уже нельзя. Это происходит:

1. При высоких давлениях: Молекулы газа сближаются настолько, что их собственный объем становится сопоставим с объемом, приходящимся на одну молекулу. Модель идеального газа, считающая объем молекул нулевым, дает в этом случае завышенное значение объема или заниженное давление по сравнению с реальным газом. Уравнение состояния идеального газа $PV=\nu RT$ перестает быть точным.

2. При низких температурах: Кинетическая энергия молекул уменьшается, и она становится сопоставимой с потенциальной энергией межмолекулярного притяжения. Силы притяжения начинают играть существенную роль, заставляя молекулы двигаться не по прямым линиям между столкновениями. Это приводит к уменьшению давления на стенки сосуда по сравнению с предсказаниями модели идеального газа. При достаточно низкой температуре и высоком давлении реальный газ может перейти в жидкое или твердое состояние, что в принципе невозможно в модели идеального газа.

Для более точного описания реальных газов используется, например, уравнение Ван-дер-Ваальса:

$(P + \frac{a \nu^2}{V^2})(V - b\nu) = \nu RT$

где поправка $b\nu$ учитывает собственный объем молекул, а поправка $\frac{a \nu^2}{V^2}$ — межмолекулярное притяжение.

Ответ: Ограничения модели идеального газа проявляются при высоких давлениях и низких температурах, когда нельзя пренебрегать собственным объемом молекул и силами межмолекулярного взаимодействия.

2. Свойства реальных газов становятся близки к свойствам идеального газа при условиях, когда влиянием собственного объема молекул и сил межмолекулярного взаимодействия можно пренебречь. Это достигается, когда молекулы находятся на больших расстояниях друг от друга и обладают большой кинетической энергией.

Такие условия реализуются:

1. При низких давлениях (или высокой степени разрежения): Когда давление низкое, объем, занимаемый газом, велик. Среднее расстояние между молекулами значительно превышает их размеры, поэтому собственный объем молекул становится пренебрежимо малым по сравнению с общим объемом сосуда.

2. При высоких температурах: Когда температура высока, средняя кинетическая энергия теплового движения молекул ($E_k \sim T$) становится намного больше потенциальной энергии их взаимодействия. В этом случае молекулы движутся так быстро, что силы притяжения не успевают существенно изменить их траектории, и взаимодействием можно пренебречь.

Таким образом, чем более разрежен и чем более нагрет газ, тем точнее его поведение описывается моделью идеального газа и уравнением состояния Клапейрона-Менделеева $PV=\nu RT$.

Ответ: Свойства реальных газов близки к свойствам идеального газа при низких давлениях и высоких температурах.

3. Свойства реальных газов значительно отличаются от свойств идеального газа в условиях, когда предположения, лежащие в основе модели идеального газа, становятся неверными. Наибольшие отклонения наблюдаются, когда эффекты собственного объема молекул и межмолекулярного взаимодействия становятся существенными.

Эти условия противоположны тем, при которых реальный газ ведет себя как идеальный:

1. При высоких давлениях: С увеличением давления уменьшается среднее расстояние между молекулами. Их собственный объем перестает быть пренебрежимо малым по сравнению с общим объемом. Силы отталкивания на малых расстояниях приводят к тому, что реальный газ сжимается хуже, чем идеальный.

2. При низких температурах (особенно вблизи точки сжижения): При понижении температуры уменьшается кинетическая энергия молекул. Силы межмолекулярного притяжения становятся сопоставимы с кинетической энергией и начинают доминировать. Это приводит к тому, что давление реального газа оказывается ниже, чем у идеального при тех же объеме и температуре. При дальнейшем понижении температуры или увеличении давления силы притяжения вызывают конденсацию газа — его переход в жидкое состояние, что является кардинальным отличием от поведения идеального газа.

Ответ: Свойства реальных газов значительно отличаются от свойств идеального газа при высоких давлениях и низких температурах, особенно вблизи фазовых переходов (конденсация, кристаллизация).