Тепловое расширение газов
Тепловое расширение газов — это увеличение объёма газа при нагревании, если газ может свободно расширяться. При охлаждении объём газа обычно уменьшается; точная зависимость определяется условиями процесса и описывается законами идеального газа.
Для данной массы газа при постоянном давлении действует закон Шарля: отношение объёма к абсолютной температуре остаётся постоянным. Поэтому при нагревании в подвижном сосуде газ расширяется и перемещает границу сосуда или поршень. Если объём сосуда закреплён, расширение невозможно: вместо увеличения объёма возрастает давление.
Формула
Для двух состояний одной и той же массы газа при постоянном давлении: \(\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\). Температуру необходимо подставлять в кельвинах: \(T=t+273\), где \(t\) — температура в градусах Цельсия. Например, при нагревании от \(27\,^{\circ}\mathrm{C}\) до \(127\,^{\circ}\mathrm{C}\) абсолютная температура увеличивается от \(300\) до \(400\,\mathrm{К}\), поэтому объём возрастает в \(\frac{400}{300}=\frac{4}{3}\) раза.
Воздушный шар содержит газ объёмом \(2\,\mathrm{л}\) при \(300\,\mathrm{К}\). При постоянном давлении газ нагрели до \(450\,\mathrm{К}\). Тогда \(V_2=V_1\frac{T_2}{T_1}=2\cdot\frac{450}{300}=3\,\mathrm{л}\). Объём увеличился на \(1\,\mathrm{л}\).
Формула \(V/T=\mathrm{const}\) справедлива только при постоянном давлении. В закрытом жёстком сосуде объём постоянен, а при нагревании растёт давление. Для реального газа при очень высоких давлениях и низких температурах идеальная модель может давать заметную погрешность.
Газ нагревают при постоянном давлении. Что произойдёт с его объёмом?
Тепловое расширение газов является частью общего явления теплового расширения. В задачах важно определить, какая величина постоянна, перевести температуру в кельвины и выбрать соответствующий переход между состояниями газа.
Главное
- При постоянном давлении объём данной массы газа прямо пропорционален абсолютной температуре.
- Основная формула: \(\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}\); температуру подставляют в кельвинах.
- Если объём сосуда постоянен, при нагревании увеличивается давление, а не объём.