Как изменится давление воздуха, если содержащиеся в нём молекулы азота заменить таким же количеством молекул водяного пара при сохранении:
а) средней кинетической энергии молекул?
б) средней квадратичной скорости молекул?
от

1 Ответ

дано:  
первоначальный газ - азот (N2)  
заменяемый газ - водяной пар (H2O)  

найти:  
1) как изменится давление при сохранении средней кинетической энергии молекул  
2) как изменится давление при сохранении средней квадратичной скорости молекул  

решение:  

а) средняя кинетическая энергия молекул газа определяется формулой:

E_kin = (3/2) * k * T,

где E_kin - средняя кинетическая энергия, k - постоянная Больцмана, T - температура.

При равной средней кинетической энергии для молекул N2 и H2O, имеем:

(3/2) * k * T_N2 = (3/2) * k * T_H2O.

Это указывает на то, что температуры этих газов будут равны, если их средние кинетические энергии равны.

Используя закон Бойля-Мариотта, давление газа можно записать как:

P = nRT/V,

где P - давление, n - количество вещества, R - универсальная газовая постоянная, T - температура, V - объем.

Если мы заменяем молекулы N2 на такое же количество молекул H2O при одинаковых температурах, то:

P_N2 = n_N2 * R * T_N2 / V и P_H2O = n_H2O * R * T_H2O / V.

Так как n_N2 = n_H2O и T_N2 = T_H2O, давление не изменится.

Ответ: давление останется прежним.

б) Средняя квадратичная скорость молекул газа определяется формулой:

v = sqrt(3 * k * T / m),

где v - средняя квадратичная скорость, m - масса одной молекулы.

Поскольку водяной пар имеет другую молярную массу по сравнению с азотом (M_N2 ≈ 28 г/моль, M_H2O ≈ 18 г/моль), при равенстве средних квадратичных скоростей:

v_N2 = v_H2O,

можем записать:

sqrt(3 * k * T_N2 / M_N2) = sqrt(3 * k * T_H2O / M_H2O).

Из этого следует, что:

T_N2 / M_N2 = T_H2O / M_H2O.

Если мы сохраним среднюю квадратичную скорость, нам нужно будет изменить температуру. Таким образом, давление можно будет выразить как:

P_H2O = (n_H2O * R * T_H2O) / V и P_N2 = (n_N2 * R * T_N2) / V.

При равных n и изменении T, в общем случае P_H2O может быть больше или меньше P_N2 в зависимости от того, как изменяются температуры и массы молекул.

В результате, если замена происходит при равной средней квадратичной скорости, давление воды может увеличиться или уменьшиться в зависимости от температуры.

Ответ: изменение давления зависит от соотношения температур и молярных масс.
от