![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Примеры решения задач. Пример 1. Определить для серной кислоты: 1) относительную молекулярную массу Мr 2) молярную массу M
Пример 1. Определить для серной кислоты: 1) относительную молекулярную массу Мr 2) молярную массу M Решение. 1. Относительная молекулярная масса вещества равна сумме относительных атомных масс всех элементов, атомы которых входят в состав молекулы данного вещества, и определяется по формуле Mr = ∑ niAr, i, (1) где n i — число атомов f -го элемента, входящих в молекулу; Ar, i— относительная атомная масса i-го элемента. Химическая формула серной кислоты имеет вид H2S04. Так как в состав молекулы серной кислоты входят атомы трех элементов, то стоящая в правой части равенства (1) сумма будет состоять из трех слагаемых и эта формула примет вид Mr == n1Ar, 1 + п2А2, 2 + n 3А3, 3 (2) Из формулы серной кислоты далее следует, что n 1==2 (два атома водорода), n 2==1 (один атом серы) и n 3==4 (четыре атома кислорода). Значения относительных атомных масс водорода, серы и кислорода найдем в таблице Д. И. Менделеева или в табл. 14 Приложения: A r, 1 ==1, A r, 2 =32, A r, з ==16. Подставив значения ni и Ar, i в формулу (2), найдем относительную молекулярную массу серной кислоты: Мr s == 2 • 1 + 1 • 3 2 + 4 • 16 == 9 8. 2. Зная относительную молекулярную массу Mr, найдем молярную массу серной кислоты по формуле M = Mrk, (3) где k==10-3 кг/моль. Подставив в (3) значения величин, получим M ==98-10~3 кг/моль. Пример 2.Определить молярную массу M смеси кислорода массой m 1 ==25 г и азота массой M 2==75 г. Решение. Молярная масса смеси М есть отношение массы смеси т к количеству вещества смеси v: M == m /v. (1) Масса смеси равна сумме масс компонентов смеси: m = m 1 + m 2, Количество вещества смеси равно сумме количеств вещества компонентов: v = v1+ v2 = m 1 / M 1 + m 2 / M 2 Подставив в формулу (1) выражения т и v, получим
M = m 1 + m 2_______ m 1/ M 1 + m 2/ M 2 Применив метод, использованный в примере 1, найдем молярные массы кислорода M 1 и азота M 2 M 1==32-10~3 кг/моль; M 2==28-10~3 кг/моль. Подставим значения величин в (2) и произведем вычисления: молекулы воды. Считая условно, что молекулы воды имеют вид шариков, соприкасающихся друг с другом, найти диаметр d молекул. Решение. Число N молекул, содержащихся в некоторой системе массой т, равно произведению постоянной Авогадро n A на количество вещества v: Так как v = m / M, где М — молярная масса, то N = mN A/ M. Выразив в этой формуле массу как произведение плотности на объем V, получим Произведем вычисления, учитывая, что M ==18 x 10-3 кг/моль (см. табл. 14 Приложения): N = 103∙ 10-9 / 18∙ 10-3 ∙ 6, 32∙ 1023 молекул = 3, 34∙ 1019 молекул. Массу m одной молекулы можно найти по формуле Подставив в (1) значения М и na, найдем массу молекулы воды: Если молекулы воды плотно прилегают друг к другу, то можно считать, что на каждую молекулу приходится объем (кубическая ячейка) V1 = d 3, где d — диаметр молекулы. Отсюда Объем V найдем, разделив молярный объем V m на число молекул в моле, т. е. на na: Подставим выражение (3) в (2): где V m = M /p. Тогда Проверим, дает ли правая часть выражения (4) единицу длины: Произведем вычисления: Пример 4. В баллоне объемом 10 л находится гелий под давлением p1 = 1 МПа и при температуре T 1=300 К. После того как из баллона было взято m ==10г гелия, температура в баллоне понизилась до T 2=290К. Определить давление p2 гелия, оставшегося в баллоне. Решение. Для решения задачи воспользуемся уравнением Менделеева—Клапейрона, применив его к конечному состоянию газа: где m 2 — масса гелия в баллоне в конечном состоянии; M — молярная масса гелия; R — молярная газовая постоянная. Из уравнения (1) выразим искомое давление: Массу m 2 гелия выразим через массу m 1, соответствующую начальному состоянию, и массу m гелия, взятого из баллона: Массу m 1 гелия найдем также из уравнения Менделеева — Клапейрона, применив его к начальному состоянию: Подставив выражение массы m 1 (3), а затем выражение m 2 в (2), найдем или Проверим, дает ли формула (5) единицу давления. Для этого в ее правую часть вместо символов величин подставим их единицы. В правой части формулы два слагаемых. Очевидно, что первое из них дает единицу давления, так как состоит из двух множителей, первый из которых (T 2 /T 1) — безразмерный, а второй—давление. Проверим второе слагаемое: Паскаль является единицей давления. Произведем вычисления по формуле (5), учитывая, что М== = 4 • 10" 3 кг/моль (см. табл. 14 Приложения): Пример 5. Баллон содержит m 1 =80 г кислорода и m 2==320 г аргона. Давление смеси p = 1 МПа, температура T ==300К. Принимая данные газы за идеальные, определить объем V баллона. Решение. По закону Дальтона, давление смеси равно сумме парциальных давлений газов, входящих в состав смеси. По уравнению Менделеева — Клапейрона, парциальные давления p кислорода и p2 аргона выражаются формулами Следовательно, по закону Дальтона, давление смеси газов откуда объем баллона Произведем вычисления, учитывая, что A fi =32X X 10~3 кг/моль, A f 2=40- 1СГ3 кг/моль (см. табл. 14 Приложения): Пример 6. Найти среднюю кинетическую энергию (ε вр) вращательного движения одной молекулы кислорода при температуре T ==350К, а также кинетическую энергию E k вращательного движения всех молекул кислорода массой m ==4 г. Решение. На каждую степень свободы молекулы газа приходится одинаковая средняя энергия (ε 1) = ½ kT, где k — постоянная Больцмана; Т — термодинамическая температура газа. Так как вращательному движению двухатомной молекулы (молекула кислорода — двухатомная) соответствуют две степени свободы, то средняя энергия вращательного движения молекулы кислорода Кинетическая энергия вращательного движения всех молекул газа Число всех молекул газа где na — постоянная Авогадро; v — количество вещества. Если учесть, что количество вещества v= m/M, где m — масса газа; М — молярная масса газа, то формула (3) примет вид Подставив выражение N в формулу (2), получаем Произведем вычисления, учитывая, что для кислорода М ==32-Ю" " 3 кг/моль (см. табл. 14 Приложения): Пример 7. Вычислить удельные теплоемкости при постоянном объеме су и при постоянном давлении Cvнеона и водорода, принимая эти газы за идеальные. Решение. Удельные теплоемкости идеальных газов выражаются формулами где i — число степеней свободы молекулы газа; М — молярная масса. Для неона (одноатомный газ) i=3 и M == 20 • 10" ~3 кг/моль (см. табл. 14 Приложения). Произведем вычисления: Пример 8. Вычислить удельные теплоемкости с v и cp смеси неона и водорода, если массовые доли неона и водорода составляют w1 =SO% и w2==20%. Значения удельных теплоемкостей газов взять из предыдущего примера. Решение. Удельную теплоемкость су смеси при постоянном объеме найдем следующим образом. Теплоту, необходимую для нагревания смеси на ЛГ, выразим двумя способами: где с v, 1 — удельная теплоемкость неона; cv, 2 — удельная теплоемкость водорода. Приравняв правые части (1) и (2) и разделив обе части полученного равенства на ∆ T, получим сv(m 1 + m 2) = сv, 1 m 1 + сv, 2 m 2). Отсюда
s Рассуждая так же, получим формулу для вычисления удельной теплоемкости смеси при постоянном давлении: Произведем вычисления: Пример 9. Кислород массой m =2кг занимает объем V1=1м3 и находится под давлением р1==0, 2МПа. Газ был нагрет сначала при постоянном давлении до объема V2=3м3, а затем при постоянном объеме до давления p3==0, 5МПа. Найти изменение ∆ U внутренней энергии газа, совершенную им работу А и теплоту Q, переданную газу. Построить график процесса. Решение. Изменение внутренней энергии газа где i — число степеней свободы молекул газа (для двухатомных молекул кислорода i =5); ∆ T = T з – T 1 — разность температур газа в конечном (третьем) и начальном состояниях. Начальную и конечную температуру газа найдем из уравнения Менделеева—Клапейрона pV= m / MRT, откуда Работа расширения газа при постоянном давлении выражается формулой Работа газа, нагреваемого при постоянном объеме, равна нулю: Следовательно, полная работа, совершаемая газом, Согласно первому началу термодинамики, теплота Q, переданная газу, равна сумме изменения внутренней энергии △ U и работы A: Произведем вычисления, учтя, что для кислорода A1=32•10—3 кг/моль (см. табл. 14 Приложения): График процесса приведен на рис. 7. Пример 10. В цилиндре под поршнем находится водород массой m =0, 02кг при температуре T 1==300 K. Водород сначала расширился адиабатно, увеличив свой объем в n 1 = 5 раз, а затем был сжат изотермически, причем объем газа уменьшился в n 2 == 5 раз. Найти температуру в конце адиабатного расширения и работу, совершаемую газом при этих процессах. Изобразить процесс графически. Решение. Температуры и объемы газа, совершающего адиабатный процесс, связаны между собой соотношением где γ — отношение теплоемкостей газа при постоянном давлении и постоянном объеме; n 1 = V2/V1. Отсюда получаем следующее выражение для конечной температуры: Работа A газа при адиабатном расширении может быть определена по формуле где Cv — молярная теплоемкость газа при постоянном объеме. Работа A2 газа при изотермическом процессе может быть выражена в виде Произведем вычисления, учитывая, что для водорода как двухатомного газа γ =1, 4, i=5 и M =2•10—з кг/моль:
Так как 50, 4=1, 91 (находится логарифмированием), то Знак минус показывает, что при сжатии работа газа совершается над газом внешними силами. График процесса приведен на рис. 8.
. Пример 11. Тепловая машина работает по обратимому циклу Карно. Температура теплоотдатчика T 1 = 500 К. Определить термический КПД η цикла и температуру T 2 теплоприемника тепловой машины, если за счет каждого килоджоуля теплоты, полученной от теплоотдатчика, машина совершает работу А == 350 Дж. Решение. Термический КПД тепловой машины показывает, какая доля теплоты, полученной от теплоотдатчика, превращается в механическую работу. Термический КПД выражается формулой где Q 1—теплота, полученная от теплоотдатчика; A— работа, совершенная рабочим телом тепловой машины. Зная КПД цикла, можно по формуле T 2= (T 1 - η) определить температуру охладителя T 2: Произведем вычисления:
Пример 12. Найти добавочное давление внутри мыльного пузыря диаметром d =10cм. Какую работу нужно совершить, чтобы выдуть этот пузырь? Решение. Пленка мыльного пузыря имеет две сферические поверхности: внешнюю и внутреннюю. Обе поверхности оказывают давление на воздух, заключенный внутри пузыря. Так как толщина пленки чрезвычайно мала, то диаметры обеих поверхностей практически одинаковы. Поэтому добавочное давление где r — радиус пузыря. Так как r = d /2, то Работа, которую нужно совершить, чтобы, растягивая пленку, увеличить ее поверхность на ∆ S, выражается формулой A==α ∆ S, или A =α (S -— S o). В данном случае S — общая площадь двух сферических поверхностей пленки мыльного пузыря; So — общая площадь двух поверхностей плоской пленки, затягивавшей отверстие трубки до выдувания пузыря. Пренебрегая S o, получаем Произведем вычисления:
|