Физика, 10 класс

Формулы по молекулярной физике

Начните с модели: газ считают идеальным, температуру берут в кельвинах, а давление и объём — в СИ. Затем выберите связь для состояния газа или скорости молекул.

Быстрая таблица: газ и МКТ

Для каждого процесса сначала определите, какие величины постоянны. В формулах изопроцессов количество газа не меняется.

Формула Запись Тема Для чего нужна
Уравнение Менделеева - Клапейрона $pV=\nu RT$ Молекулярная физика Уравнение состояния идеального газа связывает давление, объем, количество вещества и абсолютную температуру газа. Оно задает равновесную модель разреженного газа.
Количество вещества через массу и молярную массу $n = \frac{m}{M}$ Базовые химические расчеты Количество вещества показывает, сколько молей вещества содержится в образце. Если известны масса вещества и его молярная масса, количество вещества находят делением массы на молярную массу.
Число частиц через количество вещества $N = nN_A$ Базовые химические расчеты Число частиц вещества равно количеству вещества, умноженному на постоянную Авогадро. Формула переводит моли в число атомов, молекул, ионов или формульных единиц.
Закон Бойля-Мариотта в химии $p_1V_1=p_2V_2$ Газы в химии Закон Бойля-Мариотта в химии: формула p_1V_1=p_2V_2 помогает связать объем, давление, температуру и количество вещества газа. В тексте есть условия, пример, ошибки и проверка результата.
Закон Шарля для газов $\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$ Газы в химии Закон Шарля связывает объем газа и абсолютную температуру при постоянном давлении и неизменном количестве газа: V1/T1=V2/T2.
Закон Гей-Люссака для давления газа $\frac{p_1}{T_1}=\frac{p_2}{T_2}$ Газы в химии Закон Гей-Люссака для давления газа: формула \frac{p_1}{T_1}=\frac{p_2}{T_2} помогает связать объем, давление, температуру и количество вещества газа. В тексте есть условия, пример, ошибки и проверка результата.
Средняя кинетическая энергия молекулы идеального газа $\overline{E_k}=\frac{3}{2}kT$ Молекулярная физика Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа пропорциональна абсолютной температуре. Она задает микроскопический смысл температуры.
Средняя квадратичная скорость молекул $v_{\text{с.кв.}}=\sqrt{\frac{3RT}{M}}$ Молекулярная физика Средняя квадратичная скорость молекул, или v_rms, равна корню из 3RT/M для идеального газа. Она связана с температурой, молярной массой и средней кинетической энергией поступательного движения.
ФормулаЧто найтиЕдиницы и условия
ν = m/M; N = νNAколичество вещества или число частицν — моль, m — кг или г в согласовании с M; N безразмерно.
pV = νRTсостояние идеального газаp — Па, V — м³, T — К, R ≈ 8,314 Дж/(моль·К).
pV = const; V/T = const; p/T = constизотерма, изобара, изохораПостоянны соответственно T, p, V; температура только в К.
p = nm0vср.кв.²/3главное уравнение МКТn = N/V — концентрация, м⁻³; m₀ — масса одной молекулы, кг; vср.кв. — м/с. Не путайте m₀ с массой всего газа.

Уравнение pV = νRT — модель разреженного газа: при высоком давлении или возле конденсации нужны поправки.

Короткий пример

В сосуде объёмом 0,024 м³ находится 1 моль идеального газа при 300 К. Давление p = νRT/V = 1 × 8,314 × 300 / 0,024 ≈ 1,04 × 105 Па. Это около 104 кПа: результат имеет порядок атмосферного давления, что служит быстрой проверкой.

Школьный и углублённый маршрут

Школьный. Количество вещества, изопроцессы, pV = νRT, средняя кинетическая энергия и средняя квадратичная скорость. В задачах на нагрев и теплообмен продолжайте в термодинамике.

Углублённый. Распределения Максвелла и Больцмана, H-теорема и длина свободного пробега требуют статистической модели; эти темы полезны после освоения основных газовых законов.

Все материалы раздела

Здесь собраны молекулярные модели. Фотоны и фотоэффект рассмотрены в квантовой физике, радиоактивность — в разделе об атомном ядре.

Полный перечень формул молекулярной физики (11)
Формула Запись Тема Для чего нужна
Средняя кинетическая энергия молекулы идеального газа $\overline{E_k}=\frac{3}{2}kT$ Молекулярная физика Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы идеального газа пропорциональна абсолютной температуре. Она задает микроскопический смысл температуры.
Уравнение Менделеева - Клапейрона $pV=\nu RT$ Молекулярная физика Уравнение состояния идеального газа связывает давление, объем, количество вещества и абсолютную температуру газа. Оно задает равновесную модель разреженного газа.
H-теорема Больцмана $H=\int f\ln f\,d^3v,\qquad \frac{dH}{dt}\le 0$ Молекулярная физика H-теорема утверждает, что для разреженного газа при молекулярном хаосе функция H не возрастает и система стремится к максвелловскому распределению.
Универсальная газовая постоянная $R=N_A k$ Молекулярная физика Универсальная газовая постоянная равна произведению постоянной Авогадро на постоянную Больцмана и связывает молярный и молекулярный уровни описания газа.
Распределение Максвелла по скоростям $f(v)=4\pi\left(\frac{m}{2\pi kT}\right)^{3/2}v^2 e^{-mv^2/(2kT)}$ Молекулярная физика Распределение Максвелла задает долю молекул идеального газа, имеющих скорости около заданного значения v при температуре T.
Длина свободного пробега молекулы $\lambda=\frac{1}{\sqrt{2}\,\pi d^2 n}$ Молекулярная физика Средняя длина свободного пробега показывает, какое расстояние молекула газа в среднем проходит между последовательными столкновениями.
Наиболее вероятная скорость молекул $v_{\text{нв}}=\sqrt{\frac{2RT}{M}}$ Молекулярная физика Наиболее вероятная скорость молекул идеального газа соответствует максимуму распределения Максвелла по модулю скорости. Она не совпадает со средней скоростью.
Распределение Больцмана в потенциальном поле $n=n_0 e^{-U/(kT)}$ Молекулярная физика Распределение Больцмана показывает, как концентрация частиц в равновесии зависит от потенциальной энергии состояния и температуры.
Средняя квадратичная скорость молекул $v_{\text{с.кв.}}=\sqrt{\frac{3RT}{M}}$ Молекулярная физика Средняя квадратичная скорость молекул, или v_rms, равна корню из 3RT/M для идеального газа. Она связана с температурой, молярной массой и средней кинетической энергией поступательного движения.
Средняя скорость молекулы идеального газа $\bar v=\sqrt{\frac{8RT}{\pi M}}$ Молекулярная физика Средняя скорость молекулы идеального газа описывает средний модуль скорости молекул в равновесном идеальном газе. Формула нужна, чтобы быстро перейти от физических данных к расчету и проверить порядок величины в задачах по молекулярной физике.
Атомная единица массы $1\,\text{а.е.м.}=\frac{1}{12}m(^{12}\mathrm C)\approx1{,}66054\cdot10^{-27}\,\text{кг}$ Молекулярная физика Атомная единица массы описывает масштаб масс атомов, ядер и частиц относительно атома углерода-12. Формула нужна, чтобы быстро перейти от физических данных к расчету и проверить порядок величины в задачах по атомной и ядерной физике.

Источники: OpenStax: equations for gases; NIST CODATA constants.