Основные понятия молекулярной физики и термодинамики. Идеальный газ. Закон Авогадро. Закон Дальтона. Газовые законы.Уравнение состояния.

14.10.20 с 18-05 до 19-40 на лекции № 1 вебинаре присутствовали : Лекция 1. Основные понятия молекулярной физики и термодинамики. Идеальный газ. Закон Авогадро. Закон Дальтона. Газовые законы. Уравнение состояния. Учебная литература. Учебники Методические пособия по решению задач Молекулярная физика и термодинамика – разделы физики, в которых изучаются зависимости свойств тел от их строения, взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, и характера движения частиц. Демокрит. Бюст работы греческого мастера. 2 в. до н. э. Римская копия. Капитолийские музеи. Рим. Демокри́ т Абдерский (ок. 460 до н. э., Абдеры — ок. 370 до н. э.) — древнегреческий философ, один из основателей атомистики и материалистической философии Михаи́ л Васи́ льевич Ломоно́ сов (8 [19] ноября 1711— 4 [15] апреля 1765, Санкт-Петербург, Российская империя) — первый крупный русский учёныйестествоиспытатель. Прижизненное изображение, 1757 год Рудольф Юлиус Эмануэль Кла́узиус (нем. 2 января 1822, — 24 августа 1888) — немецкий физик, механик и математик. Джеймс Кларк Ма́ксвелл (англ. 13 июня 1831— 5 ноября 1879) — британский (шотландский) физик, математик и механик. Лю́ двиг Бо́ льцман (нем. 20 февраля 1844, — 5 сентября 1906) — австрийский физик-теоретик, основатель статистической механики и молекулярно-кинетической теории. Предположение о том, что все тела состоят из отдельных частиц и, следовательно, ни одно тело нельзя разделить на сколь угодно малые части, высказывалось Демокритом и другими древнегреческими мыслителями еще за 2500 лет до нашего времени. Главное философское достижение Демокрита – это, разумеется, теория атомов. Согласно ей, всё сущее состоит из мельчайших неделимых частиц – атомов. Между атомами есть пустое пространство, а сами атомы неразрушимы и пребывают в постоянном движении. Атомы не содержат пустоты, поэтому неделимы. Для лучшего понимания своей идеи он приводил пример с яблоком: «Когда нож режет яблоко, он разрезает не атомы, а пустоту между ними. если бы в яблоке не было этой пустоты, его невозможно было бы разрезать». Демокри́ т Абдерский (Δημόκριτος; ок. 460 до н. э., Абдеры — ок. 370 до н. э.) — древнегреческий философ, ученик Левкиппа, один из основателей атомистики и материалистической философии. Слушал в Афинах пифагорейца Филолая и Сократа, был знаком с Анаксагором. Первое убедительное, хотя и косвенное, доказательство существования атомов и молекул было получено английским химиком Д. Дальтоном (1766—1844). Дальтон объяснил закон постоянных отношений. Джон Дáльтон (англ. John Dalton; 6 сентября 1766 — 27 июля 1844) — английский физик и химик, метеоролог, естествоиспытатель и создатель химического атомизма. Согласно этому закону при образовании любых химических соединений массы реагирующих веществ находятся в строго определенных отношениях. Так, например, при образовании воды из водорода и кислорода отношение масс прореагировавших газов водорода и кислорода всегда равно 1:8. Этот факт становится понятным лишь в том случае, если допустить, что при образовании мельчайшей частички воды — молекулы — некоторое определенное число атомов водорода соединяется с определенным числом атомов кислорода. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Поэтому отношение масс водорода и кислорода при образовании воды должно быть равно отношению удвоенной массы атома водорода к массе атома кислорода. Это отношение не может измениться ни при каких условиях. Основные положения теории Дальтона 1. Химические элементы состоят из маленьких частиц, называемых атомами. Принцип дискретности (прерывности строения) вещества. 2. Атомы нельзя создать заново, разделить на более мелкие частицы, уничтожить путём какихлибо химических превращений (или превратить друг в друга). Любая химическая реакция просто изменяет порядок группировки атомов (атомы не возникают и не исчезают при химических реакциях — закон сохранения массы; см. Атомизм). 3. Атомы любого [одного] элемента идентичны и отличны от всех других, причем характерной чертой в данном случае является их [одинаковая] относительная атомная масса. 4. Атомы различных элементов имеют различный вес (массу). 5. Атомы различных элементов могут соединяться в химических реакциях, образуя химические соединения, причем каждое соединение всегда имеет одинаковое (простое, целочисленное) соотношение атомов в своем составе. Относительные веса (массы) взаимодействующих элементов непосредственно связаны с весами (массами) самих атомов, как это показывает закон постоянства состава. Основные положения молекулярно-кинетической теории 1. Все вещества состоят из молекул. Молекула — наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. 2. Молекулы состоят из атомов. Атом — наименьшая частица элемента в химических соединениях. Разным элементам соответствуют разные атомы. 3. Молекулы и атомы находятся в непрерывном движении. 4. При химических реакциях молекулы одних веществ превращаются в молекулы других веществ. Атомы при химических реакциях не изменяются. Примером опытного обоснования существования атомов молекул является: Броуновское движение, рост кристаллов из растворов и расплавов, образование тонких (молекулярных) пленок, смешивание веществ, явление диффузии, сжимаемость газов и т.д. Доказательство существования атомов Экспериментальная визуализация атомов углерода в кристаллической решетке графита методом Сканирующей туннельной микроскопии. Орлов С.А. за работой у сканирующего зондового микроскопа Solver P47-PRO производства НТ-МДТ, г. Зеленоград (2004 г.). Лаборатория микробиологии и вирусологии Ханты-Мансийской медицинской академии, апрель 2019 года. Поверхность графита атомарным разрешением, полученная методом СТМ на приборе Solver P47-PRO. Красным цветом указан период кристаллической решетки 1,41 Ангстрем. Принцип работы сканирующего туннельного микроскопа Впервые получено высококачественное изображение химической структуры отдельных молекул Согласно сообщению, опубликованному в журнале Science от 28 августа, ученые из исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе Лео Гросс, Фабиан Мон, Николай Молл и Герхард Мейер вместе с коллегой из Университета в Утрехте (Нидерланды) Питером Лильджеротом, применив атомно-силовой микроскоп (AFM) в сверхвысоком вакууме при очень низкой температуре (–268 °C), получили изображение химической структуры отдельных молекул органического вещества пентацен (pentacene). Пример достижения современной науки Группа под руководством Лео Гросса (Leo Gross) из исследовательского центра компании IBM в Цюрихе (Швейцария) также показала, что возможна визуализация молекул. Например, инициировать реакцию отдельно взятой молекулы, — они превратили дибромантрацен в десятичленный циклический диин Визуализация молекулы пентацена, находящегося на подложке из меди, с помощью атомно-силового микроскопа. Полученные с помощью атомно-силового микроскопа (нижний ряд) изображения продуктов обратимой реакции. Молекулярно-кинетическая теория идеальных газов Статистический и термодинамический методы исследования Молекулярная физика и термодинамика – разделы физики, в которых изучаются зависимости свойств тел от их строения, взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, и характера движения частиц. Для исследования физических свойств макроскопических систем, связанных с огромным числом содержащихся в них атомов и молекул, применяют два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода: статистический (или молекулярно-кинетический) и термодинамический. Статистический метод – это метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий статистическими закономерностями и средними (усреднёнными) значениями физических величин, характеризующих всю систему. Этот метод лежит в основе молекулярной физики – раздела физики, изучающего строение и свойства вещества исходя из молекулярно-кинетических представлений, основывающихся на том, что все тела состоят из атомов, молекул или ионов, находящихся в непрерывном хаотическом движении. В дальнейшем мы будем использовать термин "молекула", имея ввиду мельчайшую структурную единицу (элемент) данного вещества. Термодинамический метод – это метод исследования систем из большого числа частиц, оперирующий величинами, характеризующими систему в целом (например, давление, объём, температура) при различных превращениях энергии, происходящих в системе, не учитывая при этом внутреннего строения изучаемых тел и характера движения отдельных частиц. Этот метод лежит в основе термодинамики – раздела физики, изучающего общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамическая система Термодинамика имеет дело с термодинамической системой – совокупностью макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией как между собой, так и с другими телами (внешней средой). Термодинамические системы, не обменивающиеся с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются замкнутыми. Основа термодинамического метода – определение состояния термодинамической системы. Состояние системы задаётся термодинамическими параметрами (параметрами состояния) – совокупностью физических величин, характеризующих свойства термодинамической системы. Обычно в качестве параметров состояния выбирают температуру, давление и объём. Например, термодинамический метод используется в для «Термодинамического исследования пластовых флюидов» и включает использование следующих приборов и установок: Газометр автоматический Аппарат для определения давления насыщения Учебная установка для PVT-исследований пластовых углеводородных систем Мобильная установка для PVT-исследований в полевых условиях Универсальная установка для PVT-исследований нефтяных, газовых и газоконденсатных систем Установка для PVT-исследований с полной визуализацией Газометр с ручным управлением Аппарат для определения газового фактора Аппарат контактного дегазирования Аппарат многоступенчатой сепарации Охлаждаемая конденсатная ловушка Пикнометр для газовой пробы Пикнометр для определения газового фактора Для чего нужны PVT исследования? В разных месторождениях залегают разные типы нефти. Они отличаются друг от друга по цвету, плотности, газосодержанию и т.д. Газы могут иметь различную удельную плотность и содержать различные объемы примесей. Необходим лабораторный анализ полученных надлежащим образом образцов флюидов с каждого месторождения. Более простой метод: определить хотя бы некоторые ключевые параметры и использовать корреляции. Параметры состояния системы могут изменяться. Любое изменение в термодинамической системе, связанное с изменением хотя бы одного из её термодинамических параметров, называется термодинамическим процессом. Если для данной системы внешние условия не изменяются, и состояние системы с течением времени не меняется, то эта система находится в термодинамическом равновесии. Температура Температура – одно из основных понятий, играющих важнейшую роль в физике в целом. Температура – это физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы и определяющая направление теплообмена между телами. В настоящее время используют две температурные шкалы. Международная практическая шкала (шкала Цельсия) градуированная в градусах Цельсия (°С) по двум реперным точкам – температурам замерзания и кипения воды при давлении 1,013·105 Па, которые принимаются соответственно 0°С и 100°С. Термодинамическая температурная шкала (шкала Кельвина), градуированная в градусах Кельвина (К) определяется по одной реперной точке – тройной точке воды – температуре, при которой лёд, вода и насыщенный пар при давлении 609 Па находятся в термодинамическом равновесии. Температура этой точки по данной шкале равна 273,16 К. Температура называется нулём Кельвина. T = 0 K. Термодинамическая температура (T) и температура по Международной практической шкале связаны соотношением (t). Идеальный газ Идеальным газом называют физическую модель, согласно которой: 1) собственный объём молекул газа пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда; 2) между молекулами газа отсутствуют силы взаимодействия; 3) столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие. Исходя из этого идеальный газ можно рассматривать как совокупность беспорядочно движущихся молекул-шариков, имеющих пренебрежимо малый собственный объём и не взаимодействующих друг с другом на расстоянии. Законы, описывающие поведение идеальных газов – законы Бойля- Мариотта, Авогадро, Дальтона, Гей-Люссака. Закон Бойля-Мариотта Для данной массы газа m при постоянной температуре T произведение давления p на объём V есть величина постоянная Кривая, изображающая зависимость между p и V, характеризующая свойства вещества при постоянной температуре, называется изотермой. Изотермы – это гиперболы, расположенные на графике тем выше, чем выше температура происходящего процесса. Закон Авогадро  Количество вещества – это физическая величина, определяемая числом специфических структурных элементов – молекул, атомов или ионов, из которых состоит вещество. Единица количества вещества – моль – это количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в 0,012 кг изотопа углерода 12С. В одном моле различных веществ содержится одно и то же число молекул, называемое числом Авогадро. NA Амеде́о Авога́дро (итал. 1776 —1856) — итальянский учёный-химик, первооткрыватель фундаментального физико-химического закона, названного его именем. Закон Авогадро: моли любых газов при одинаковой температуре и давлении занимают одинаковые объёмы. При нормальных условиях этот объём (молярный объём) V равен: Амеде́о Авога́дро (итал. 9 августа 1776, — 9 июля 1856) — итальянский учёный-химик, первооткрыватель фундаментального физикохимического закона, названного его именем. Медаль Амедео Авогадро, учрежденная к столетию ученого в 1956 году. Первым награжденным этой медалью стал американский ученый Лайнус Полинг. Бюст Амадео Авогадро работы Пьетро Каноника итальянского скульптора, художника и композитора. Закон Дальтона Смешение газов – самопроизвольный процесс, происходящий вследствие диффузии. В термодинамике смесь идеальных газов, не вступающих в реакцию, рассматривается как идеальный газ. При этом каждый газ ведет себя так, как будто бы он один занимает весь объем, а давление, которое он оказывает на стенки сосуда, называется парциальным. Давление смеси газов складывается из парциальных давлений отдельных газов. Дальтон вывел закон: Масса смеси равна массе всех составляющих компонент Джон Дальтóн (1766 —1844) — английский физик и химик, метеоролог, естествоиспытатель и создатель химического атомизма. n m   mi i 1 Задача измерения параметров нефтегазовой промышленности. газовой смеси широко распространена в Пробы природного газа отбирают из газовых скважин, промысловых сборных линий, газопроводов, аппаратов, резервуаров хранения газа и других объектов. Пробу газа для анализа отбирают по ГОСТ 18917-82. Система отбора проб природного газа производства ООО "Хромос" предназначена для отбора точечных проб газа из газопровода в пробоотборник с последующей транспортировкой к месту проведения анализа компонентного состава пробы газа. СОГ полностью соответствует требованиям ГОСТ 31370-2008 "Газ природный. Руководство по отбору проб. Приложение D "Методика отбора проб методом заполнения-выпуска", включая поддержание необходимого температурного режима и контроля давления заполнения контейнера. Хроматографический метод определения состава газовой смеси Отбор пробы газовой смеси из скважины. Пробоотборник для газовой смеси. Исследование состава газовой смеси хроматографическим методом. Сфера применения ПНГ Учебный фильм Союза химиков о разделении попутного нефтяного газа https://www.youtube.com/watch?v=e-0zfEpH7xc Проблема получения достоверной информации при измерении параметров состояния газовой среды и её характеристик с помощью технических средств разрешается принятыми в стандартах методиками выполнения измерений (МВИ), например, при измерении расхода и количества газов с помощью стандартных сужающих устройств, или с помощью турбинных, ротационных и вихревых расходомеров и счётчиков. Пример. Классификация расходомеров газа Если имеется смесь газов, составные части которой друг с другом химически не взаимодействуют, то по закону Дальтона общее давление ее (Р) равно сумме парциальных давлений (Р1, Р2, Р3) отдельных составных частей На основании этой зависимости, а также из закона Бойля получаем следующее равенство: 𝑝𝑖 = 𝑟𝑖 𝑝 где рi – парциальное давление отдельного газа, входящего в состав газовой смеси; ri – объемная доля газа в объеме газовой смеси; Р – общее давление газовой смеси. Из определений парциальных давления и объема и постоянства температуры следует: piV  mi RiT , pVi  mi RiT ; Vi pi pi  , Vi  V . V p p Просуммировав последнее равенство по всем компонентам смеси, получим n Vi  V i 1 т.е. сумма парциальных объемов газов, составляющих смесь, равна объему смеси газов. n Сумма объемных долей равна единице:  ri  1 i 1 Закон Гей-Люссака В 1804 году Гей-Люссак предпринял подъём на воздушном шаре. Гей-Люссак достиг высоты 7016 метров, установив мировой рекорд высоты подъёма на воздушном шаре. Здесь он произвёл замеры температуры воздуха, которая оказалась равной −9,5 °C по сравнению с +27,75 °C на поверхности земли. Тем самым Гей-Люссак доказал, что снега, покрывающие высочайшие вершины, не являются результатом действия гор на окружающий воздух. Жозе́ф Луи́ Гей-Люсса́к (1778 - 1850) — французский химик и физик, член Французской Академии наук (1806). В 1805 году Гей-Люссак совместно с известным учёным и путешественником Гумбольдтом проводил опыты в области эвдиометрии. Первоначальной целью этих опытов было выяснение точности измерения состава атмосферного воздуха при помощи эвдиометра Вольта. В частности, Гей-Люссак обнаружил, что кислород и водород образуют воду, соединяясь в пропорции 100 объёмных частей кислорода на 200 объёмных частей водорода. В 1806 году Гей-Люссак начал исследования упругости газов (давления) в зависимости от температуры. Изобары и изохоры пересекают ось температуры в точке Если начало отсчёта сместить в эту точку, то получим шкалу Кельвина (термодинамическую температуру): В термодинамической шкале температур: Открытие Гей-Люссаком газовых законов послужило импульсом для Амадео Авогадро к проведению активных экспериментов, что в конечном счёте привело к открытию Числа Авогадро Уравнение состояния идеального газа Уравнением состояния термодинамической системы называется уравнение, которое связывает давление p, объём V и температуру T термодинамической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия где каждая из переменных является функцией двух других. Лю́ двиг Бо́ льцман (1844 - 1906) — австрийский физиктеоретик, основатель статистической механики и молекулярнокинетической теории. Член Венской Императорской академии наук (1885), иностранный член Лондонского королевского общества (1899), член-корреспондент Петербургской академии наук (1899), Парижской академии наук (1900) и ряда других.