Студопедия

Главная страница Случайная страница

Разделы сайта

АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника






  • Примеры решения задач. Пример 1 Баллон вместимостью V = 5 л содержит смесь гелия и водорода при






    Пример 1 Баллон вместимостью V = 5 л содержит смесь гелия и водорода при

    давлении P = 600 кПа. Масса m смеси равна 4 г, массовая w1 доля гелия равна

    0, 6. Определить температуру смеси, парциальные давления P1 и P2, молярную

    массу смеси.

    Решение.

    Массовая доля w – отношение массы компонента смеси к массе смеси,

    т.е.

    m

    m

    w 1

    1 =. Аналогично,

    m

    m

    w 2

    2 =. Следовательно, m w m 1 1 = и m w m (1 w)m 2 2 1 = = -.

    Найдем молярную массу смеси:

    (1) (1)

    2 1 1 1

    1 2

    2

    1

    1

    1

    2

    2

    1

    1 2 1 M w M w

    M M

    M

    m w

    M

    mw

    m

    M

    m

    M

    m

    m m m

    M

    + -

    ×

    =

    -

    +

    =

    +

    =

    +

    = =

    n n n

    .

    Здесь М1 и М2 – молярные массы компонентов смеси; М1 = 4× 10 -3 кг/моль,

    М2 = 2× 10 -3 кг/моль. Получаем:

    моль

    M кг 3

    3 3

    3 3

    2, 86 10

    2 10 0, 6 4 10 (1 0, 6)

    4 10 2 10 -

    - -

    - -

    = ×

    × × + × -

    × × ×

    =.

    Запишем уравнение Клапейрона – Менделеева для смеси:

    RT

    M

    m

    PV =.

    Отсюда выразим и найдем температуру смеси:

    K

    mR

    PVM

    T 258

    4 10 8, 31

    600 10 5 10 2, 86 10

    3

    3 3 3

    =

    × ×

    × × × × ×

    = = -

    - -

    .

    Парциальное давление – давление, создаваемое компонентом смеси в со-

    суде. Таким образом, для нахождения можно использовать уравнение Кла-

    пейрона – Менделеева:

    RT

    M

    m

    PV

    1

    1

    1 =.

    Отсюда выразим и найдем парциальное давление Р1:

    кПа

    VM

    mw RT

    VM

    m RT

    P 257, 3

    5 10 4 10

    4 10 0, 6 8, 31 258

    3 3

    3

    1

    1

    1

    1

    1 =

    × × ×

    × × × ×

    = = = - -

    -

    .

    Используя закон Дальтона Р = P1 + P2, находим P2:

    Р2 = P - P1 = 600 - 257, 3 = 342, 7 кПа.

    Ответ: 258 К; 257, 3 кПа; 342, 7 кПа; 2, 86× 10-3 кг/моль.

    29

    Пример 2 Определить кинетическую энергию Евр вращательного движения

    одной молекулы кислорода при температуре Т = 286 К, а также кинетическую

    энергию Евр вращательного движения всех молекул этого газа, если его масса

    равна 4 г.

    Решение.

    На каждую степень свободы молекул газа приходится одинаковая сред-

    няя энергия

    2

    kT

    , где k = 1, 38× 10-23 Дж/К – постоянная Больцмана. Так как моле-

    кула кислорода двухатомная, то имеет 3 степени поступательного движения и 2

    степени вращательного движения. Таким образом,

    Евр kT kT Дж 23 21 1, 38 10 286 3, 95 10

    2

    1

    2 - - = × = = × × = ×.

    Кинетическая энергия вращательного движения всех молекул этого газа:

    Евр = N Евр,

    где N – число молекул газа, определяемое по формуле A A N

    M

    m

    N =n × N =.

    Таким образом, получаем

    Евр Дж

    M

    m

    Евр NA 3, 95 10 297

    32 10

    4 10

    6, 02 10 21

    3

    3

    23 × =

    ×

    ×

    = = × -

    -

    -

    .

    Ответ: 297Дж.

    Пример 3 В центрифуге находится азот при температуре 170С. Центрифуга,

    внутренний радиус которой 0, 5 м, вращается вместе с азотом с частотой 80 с-1.

    Во сколько раз давление в центре центрифуги меньше давления на расстоянии

    0, 4 м от оси вращения?

    Решение.

    Используем для решения распределение Больцмана в виде

    kT

    U

    n n e

    -

    = 0,

    где U – потенциальная энергия поля. Учтем, что вместо концентрации можем

    записать давление, так как P = nkT и P n kT 0 0 =. В этом случае получим

    kT

    U

    P P e

    -

    = 0.

    На частицы газа в центрифуге действует центробежная сила инерции

    F r m r 2 () = w.

    Используем связь между потенциальной энергией и силой:

    m r

    dr

    dU

    F r 2 () = - = - w.

    Тогда получим вид потенциального поля в центрифуге

    C

    m r

    dU m rdr U m rdr +

    -

    = - ® = - ò = 2

    2 2

    2 2 w

    w w.

    30

    Примем постоянную интегрирования С = 0. Тогда получим выражение для рас-

    чета давления газа в центрифуге:

    kT

    m r

    kT

    U

    P r P e Pe 2

    0 0

    2 2

    ()

    w

    = =

    -

    .

    Отсюда находим искомое отношение:

    kT

    m r

    e

    P

    P r 2

    0

    2 2

    () w

    =

    Учтем, что

    A N

    M

    m = - масса молекулы кислорода, w = 2pn - угловая ско-

    рость вращения, kN R A = - универсальная газовая постоянная.

    В итоге получаем

    1, 26

    () 8, 31290

    2 2 3, 14 2810 80 0, 4

    0

    2 2 2 2 3 2 2

    = = = ×

    × × × × × -

    e e

    P

    P r RT

    p Mn r

    Ответ: в 1, 26 раз.

    Пример 4 Рассчитать среднее число столкновений, испытываемых за 5 с моле-

    кулой азота при температуре 170С и давлении 105 Па.

    Решение.

    Среднее число столкновений, испытываемых одной молекулой за едини-

    цу времени, равно

    z pd n u 2 = 2,

    где d – эффективный диаметр молекулы; n - концентрация молекул; u - сред-

    няя арифметическая скорость теплового движения молекул.

    За время t число столкновений составит

    z z t pd n u t 2 = = 2 (1)

    Средняя арифметическая скорость определяется выражением

    M

    RT

    p

    u

    8

    =.

    Найдем концентрацию молекул:

    MV

    mN

    V

    N

    V

    N

    n A A = = =

    n

    .

    Из уравнения Клапейрона - Менделеева выразим

    RT

    P

    MV

    m

    =.

    Подставив полученные выражения в (1), получим:

    t

    RTM

    t d PN

    M

    RT

    RT

    N P

    z d A

    A p

    p

    p 2 2 4

    8

    = 2 =.

    10

    3

    10 2 5 23 5 3, 75 10

    8, 31 290 28 10

    3, 14

    4 (3, 8 10) 10 6, 02 10 × = ×

    × × ×

    = × × × × × -

    - z.

    Ответ: 3, 75× 1010.

    31

    Пример 5 Найти показатель адиабаты g для смеси газов, состоящей из количе-

    ства n1 = 5 моль гелия и количества n2 = 3 моль азота.

    Решение.

    Показателем адиабаты g называется отношение удельных теплоемкостей

    смеси газа cv (при постоянном объеме) и ср (при постоянном давлении)

    V

    Р

    с

    с

    g =.

    Удельную теплоемкость смеси газа cv при постоянном объеме найдем из

    уравнения теплового баланса: количество теплоты, затраченное на нагрев сме-

    си, равно количеству теплоты, идущему на нагрев компонент смеси, т.е.

    с m t с m t с m t V V V D + D = D 1 1 2 2.

    Учтем, что 1 1 1 m =n M, 2 2 2 m =n M,

    1

    1

    1 2 M

    i R

    сV =,

    2

    2

    2 2 M

    i R

    сV =, а Dt одинаково, то-

    гда получим

    ()

    2 2 2 2 1 1 2 2

    2

    2

    1 1

    1

    1 M c M M

    M

    i R

    M

    M

    i R

    V n + n = n +n

    Отсюда выражаем cv:

    1 1 2 2

    1 1 2 2

    1 1 2 2

    2

    2

    1

    1

    2

    2 2

    M M

    R i i

    M M

    R

    i

    R

    i

    cV n n

    n n

    n n

    n n

    +

    +

    = ×

    +

    +

    =.

    Гелий – одноатомный газ, поэтому у него число степеней свободы i1 = 3, моляр-

    ная масса гелия М1 = 4× 10-3 кг/моль. Азот – двухатомный газ, поэтому у него

    число степеней свободы i2 = 5, молярная масса азота М2 = 28× 10-3 кг/моль.

    Проводя аналогичные выкладки для расчета удельной теплоемкости сме-

    си газа ср при постоянном давлении, с учетом того, что

    1

    1

    1 2

    2

    M

    i R

    сР

    +

    = и

    2

    2

    2 2

    2

    M

    i R

    сР

    +

    =, получаем:

    1 1 2 2

    1 1 2 2 (2) (2)

    2 M M

    R i i

    cР n n

    n n

    +

    + + +

    = ×.

    Тогда показателем адиабаты g будет определяться выражением

    1 1 2 2

    1 1 2 2 (2) (2)

    n n

    n n

    g

    i i

    i i

    с

    с

    V

    Р

    +

    + + +

    = =.

    Подставляя числовые значения, получим

    1, 53

    30

    46

    3 5 5 3

    (3 2) 5 (5 2) 3

    = =

    × + ×

    + × + + ×

    g =.

    Ответ: 1, 53.

    32

    Пример 6 Кислород занимает объем V1 = 1л и находится под давлением Р1 =

    =200 кПа. Газ нагрели сначала при постоянном давлении до объема V2 = 3л, а

    затем при постоянном объеме до давления Р3 = 500 кПа. Найти: изменение DU

    внутренней энергии газа; совершенную им работу А; количество теплоты Q,

    переданное газу.

    Решение.

    Изменение внутренней энергии газа при его переходе из состояния 1 в

    состояние 3 найдем по формуле

    ()

    2 3 1 R T T

    i

    DU = n -.

    Выразим температуры из уравнения Клапейрона – Менделеева с учетом того,

    что V2= V3 и Р1= Р2:

    R

    PV

    T

    n

    1 1

    1 =;

    R

    PV

    R

    PV

    T

    n n

    3 3 3 2

    3 = =.

    Получаем в итоге выражение для расчета внутренней энергии:

    () 3 2 1 1

    3 2 1 1

    2 2

    PV PV

    i

    R

    PV PV

    R

    i

    U - = ÷ ø

    ö

    ç è

    æ -

    D =

    n

    n.

    Так как кислород - двухатомный газ, то i = 5. Подставим числовые значения:

    U (5 10 3 10 2 10 1 10) 2, 5 1300 3250Дж

    2

    5 5 3 5 3 D = × × × - × × × = × = - -

    Работа, совершаемая газом, равна А=А12+А23, где А12 – работа, совершае-

    мая на участке 1-2 (при постоянном давлении), А23 – работа, совершаемая на

    участке 2-3 (при постоянном объеме).

    А12=PDV=P1(V2 - V1)=2× 105× (3× 10-3 - 1× 10-3) = 400 Дж.

    А23=0, т.к. объем газа не меняется.

    В итоге полная работа А = А12 = 400 Дж.

    По первому началу термодинамики определим количество теплоты:

    Q=DU+A=3250+400=3650 Дж.

    Ответ: 3250Дж; 400 Дж; 3650 Дж.

    Пример 7 Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно и получает от

    нагревателя за цикл 5 кДж тепла. Рассчитать работу машины за цикл и количе-

    ство теплоты, отдаваемое холодильнику, если температура нагревателя 6000С, а

    холодильника 200С.

    Решение.

    Работа тепловой машины за цикл равна

    НАГР ХОЛ А =Q -Q,

    где НАГР Q - количество теплоты, получаемое от нагревателя; ХОЛ Q - количество

    теплоты, передаваемое холодильнику.

    КПД тепловой машины равен

    НАГР Q

    А

    h =,

    33

    откуда получаем

    А =hQНАГР.

    Для идеальной тепловой машины КПД можно также выразить формулой

    НАГР

    ХОЛ

    НАГР

    НАГР ХОЛ

    Т

    Т

    Т

    Т Т

    = -

    -

    h = 1.

    Тогда получаем:

    Q Дж

    Т

    Т Т

    А НАГР

    НАГР

    НАГР ХОЛ 3 3 5 10 3, 32 10

    873

    873 293

    × = × × ÷ ø

    ö

    ç è

    æ -

    = ÷ ÷

    ø

    ö

    ç ç

    è

    æ -

    =.

    Q Q А Дж ХОЛ НАГР

    3 = - =1, 68× 10.

    Ответ: 3, 32 кДж; 1, 68 кДж.

    Пример 8 Какую работу А нужно совершить, чтобы, выдувая мыльный пузырь,

    увеличить его объем от 5 см3 до 10 см3. Считать процесс изотермическим.

    Решение.

    Работа затрачивается на изменение свободной энергии DЕ поверхности

    жидкости А = DЕ. Свободная энергия пропорциональна площади поверхности

    E =sS,

    где s - поверхностное натяжение жидкости.

    У мыльного пузыря 2 поверхности, радиусы которых почти равны из-за

    малой толщины пленки, поэтому

    (2)

    1

    2

    2 DE = 2sDS = 2s 4pR - 4pR.

    Радиус пузыря выразим через объем

    3 1

    1 4

    3

    p

    V

    R =, 3 2

    2 4

    3

    p

    V

    R =.

    Получаем в итоге

    ÷ ÷

    ÷

    ø

    ö

    ç ç

    ç

    è

    æ

    ÷ ø

    ö

    ç è

    æ

    - ÷ ø

    ö

    ç è

    æ

    =

    ÷ ÷

    ÷

    ø

    ö

    ç ç

    ç

    è

    æ

    ÷ ø

    ö

    ç è

    æ

    - ÷ ø

    ö

    ç è

    æ

    = D =

    3

    2

    1

    3

    2

    2

    3

    2

    1

    3

    2

    2

    4

    3

    4

    3

    8

    4

    3

    4

    3

    2 4

    p p

    sp

    p p

    s p

    V V V V

    A E.

    Подставим числовые значения:

    мкДж

    V V

    A 66

    4 3, 14

    3 5 10

    4 3, 14

    3 10 10

    8 40 10 3, 14

    4

    3

    4

    3

    8

    3

    2

    3 6

    2

    6

    3

    3

    2

    1

    3

    2

    ÷ ÷

    ÷

    ø

    ö

    ç ç

    ç

    è

    æ

    ÷ ÷

    ø

    ö

    ç ç

    è

    æ

    ×

    × ×

    - ÷ ÷

    ø

    ö

    ç ç

    è

    æ

    ×

    × ×

    = × × × ×

    ÷ ÷

    ÷

    ø

    ö

    ç ç

    ç

    è

    æ

    ÷ ø

    ö

    ç è

    æ

    - ÷ ø

    ö

    ç è

    æ

    =

    - -

    -

    p p

    sp.

    Ответ: 66 мкДж.

    34






    © 2023 :: MyLektsii.ru :: Мои Лекции
    Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
    Копирование текстов разрешено только с указанием индексируемой ссылки на источник.