题目
有两种不同的理想气体同压同温而体积不等试问下述各量是否相同(1)分子数密度(2)气体质量密度(3)单位体积内气体分子总平动动能(4)单位体积内气体分子的总动能
有两种不同的理想气体同压同温而体积不等试问下述各量是否相同
(1)分子数密度
(2)气体质量密度
(3)单位体积内气体分子总平动动能
(4)单位体积内气体分子的总动能
题目解答
答案
(1)由$$p=nkT$$,$$n=\frac{p}{kT}$$知分子数密度相同;
(2)由$$\rho =\frac{M}{V} =\frac{M_{mol}p}{RT}$$知气体质量密度不相同;
(3)由$$n\frac{3}{2} kT$$知单位体积内气体分子总平动动能相同;
(4)由$$n\frac{i}{2} kT$$知单位体积内气体分子的总动能不一定相同
解析
本题考查理想气体状态方程及其相关物理量的理解,需结合分子动理论知识分析不同条件下气体性质的异同。关键点在于:
- 分子数密度由压强和温度决定,与气体种类无关;
- 气体质量密度与摩尔质量相关,不同气体差异明显;
- 单位体积的总平动动能仅与温度和分子数密度有关;
- 总动能还需考虑分子自由度,不同气体可能不同。
(1) 分子数密度
根据理想气体状态方程 $p = nkT$,分子数密度 $n = \frac{p}{kT}$。因压强 $p$ 和温度 $T$ 相同,故分子数密度相同。
(2) 气体质量密度
质量密度 $\rho = \frac{M_{\text{mol}} p}{RT}$,其中 $M_{\text{mol}}$ 为气体摩尔质量。因两种气体摩尔质量不同,故质量密度不同。
(3) 单位体积内气体分子总平动动能
总平动动能为 $\frac{3}{2} NkT$,单位体积内为 $\frac{3}{2} nkT$。因 $n$ 和 $T$ 相同,故该量相同。
(4) 单位体积内气体分子的总动能
总动能为 $\frac{i}{2} NkT$($i$ 为自由度),单位体积内为 $\frac{i}{2} nkT$。若两种气体分子自由度不同(如单原子 $i=3$,双原子 $i=5$),则该量不同。