Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы
Три числа — давление, объём и температура — полностью задают состояние газа. Связывает их одно уравнение Менделеева — Клапейрона, и из него разом выводятся все три изопроцесса. На ЕГЭ это задание 7, но то же уравнение работает внутри задач 23 и 24. Начнём с кельвинов: перевод из градусов Цельсия здесь забывают чаще всего.
Состояние газа и уравнение Менделеева — Клапейрона
Газ в сосуде — это огромное число молекул, и следить за каждой бессмысленно. Вместо этого состояние газа описывают тремя числами: давление , объём и абсолютная температура . Задал три числа — задал состояние. Изменил хотя бы одно — газ перешёл в другое состояние.
Свободно менять все три сразу не выйдет: они связаны друг с другом. Для идеального газа — модели, в которой молекулы не притягиваются друг к другу, а их собственный объём пренебрежимо мал по сравнению с объёмом сосуда, — связь записывается одной строкой. Это уравнение Менделеева — Клапейрона:
Здесь — количество вещества в молях, — масса газа, — его молярная масса, а Дж/(моль·К) — универсальная газовая постоянная. Она одинакова для любого идеального газа: и для гелия, и для азота. Её значение выдают в справочных материалах КИМ, запоминать отдельно не нужно.
Количество вещества считается через массу: . Молярная масса — масса одного моля: у кислорода O₂ это 32 г/моль, у азота N₂ — 28 г/моль. Такие значения тоже есть в справочных материалах, их не заучивают.
Вторая форма записи, , — рабочая. Именно она превращает уравнение в инструмент для поиска массы газа, и на ней стоит целый жанр задания 23: «сколько газа выпустили из баллона». Правило простое: появилось в условии слово «масса» или «сколько граммов» — бери эту форму.
Саму модель идеального газа, температуру как меру энергии молекул и основное уравнение молекулярно-кинетической теории (МКТ) разбирает соседняя тема. Здесь от неё нужно только одно следствие: уравнение состояния верно ровно настолько, насколько газ близок к идеальному. Разреженный воздух или гелий при обычных условиях описываются им хорошо, а насыщенный пар над поверхностью воды — уже нет: там становится заметным притяжение между молекулами, которым в модели идеального газа пренебрегают, и это разбирает отдельная тема про насыщенный пар.
Только кельвины, только кубометры, только паскали
В уравнении состояния — это абсолютная температура, и измеряется она в кельвинах. Не в градусах Цельсия. Перевод простой:
где — температура в градусах Цельсия. Ноль кельвинов соответствует −273 °C, ниже температура не опускается — поэтому никогда не бывает отрицательной. Отсюда бесплатная самопроверка: получил в решении отрицательную абсолютную температуру — ищи ошибку, а не радуйся необычному ответу.
Почему это важнее, чем кажется. Шкала Цельсия сдвинута относительно нуля, и отношения температур в ней не значат ничего. Смотри: газ нагрели при постоянном давлении с 27 °C до 327 °C, во сколько раз вырос объём? По Цельсию рука тянется написать . По-настоящему: К, К, объём вырос ровно в 2 раза. Разница между 12 и 2 — это весь балл за задание.
Остальные единицы важны тогда, когда подставляешь числа в само уравнение: объём — в кубометрах (1 л = 10⁻³ м³), давление — в паскалях (1 кПа = 10³ Па, 1 МПа = 10⁶ Па), молярная масса — в килограммах на моль (32 г/моль = 32·10⁻³ кг/моль). Литры, оставленные литрами, дают ответ, промахнувшийся ровно в тысячу раз.
А дальше — приятное послабление. Когда ты сравниваешь два состояния одного и того же газа и пишешь отношение, и можно оставить в любых единицах, лишь бы они были одинаковыми слева и справа: килопаскали сократятся с килопаскалями, литры с литрами. С температурой этот номер не проходит никогда: только кельвины, потому что пропорциональности в шкале Цельсия нет.
Объединённый газовый закон: метод двух состояний
Чаще всего в задаче не спрашивают и даже не дают . Дают одно состояние газа и просят найти другое. Тогда уравнение состояния пишут дважды и делят одно на другое.
Пусть масса газа не меняется — сосуд закрыт, ничего не выпускали и не накачивали. Тогда произведение в правой части одинаково для обоих состояний и при делении сокращается:
Это объединённый газовый закон. Другая его запись — : для данной порции газа эта комбинация не меняется, что бы с газом ни делали. Ни количество вещества, ни молярная масса, ни сюда не входят — поэтому закон работает, даже когда про сам газ не сказано ничего, кроме слова «идеальный».
Условие постоянной массы — не формальность, а первое, что стоит проверить в условии. Как только появилось «часть газа выпустили», «баллон подкачали», «половину перепустили в другой сосуд» — объединённый закон применять нельзя. Тогда пишут полное уравнение отдельно для каждого состояния, каждое со своей массой.
Сам метод выглядит одинаково почти во всех задачах темы: выписал , выписал , вычеркнул то, что не меняется, выразил неизвестное. Если спрашивают «во сколько раз», абсолютные значения не нужны вовсе — хватит отношений.
Три изопроцесса, три закона, три имени
Изопроцесс — процесс, в котором один из трёх параметров держат постоянным, а масса газа не меняется. Параметров три, значит и изопроцессов три. Каждый — это объединённый закон, из которого вычеркнули одну букву. Новых формул заучивать не надо: все три получаются из за секунду.
Изотермический процесс, . Вычёркиваем — остаётся закон Бойля — Мариотта:
Давление и объём обратно пропорциональны: сжал газ вдвое, не меняя температуры, — давление выросло вдвое.
Изобарный процесс, . Вычёркиваем — остаётся закон Гей-Люссака:
Объём прямо пропорционален абсолютной температуре. Так ведёт себя газ под подвижным поршнем, который свободно ходит и всё время уравновешивается одним и тем же внешним давлением.
Изохорный процесс, . Вычёркиваем — остаётся закон Шарля:
Давление прямо пропорционально абсолютной температуре. Это газ в жёстком закрытом сосуде: нагрели вдвое — давление выросло вдвое.
Формулу перепутать теперь трудно: смотри, что вычёркиваешь. Убрал — остался ; убрал — остался ; убрал — остался .
А вот фамилии придётся просто запомнить, и выучить их стоит: в формулировках заданий и в разборах ответов законы называют по именам, без расшифровки. Связку «изопроцесс ↔ закон по имени» спрашивают в части 1 — в задании 10 она встречается как одна из строк установления соответствия. Держи её: Бойль и Мариотт держат температуру, Гей-Люссак — давление, Шарль — объём.
Графики: как узнать изопроцесс по картинке
Задания 9 и 10 часто дают не числа, а график, и просят опознать процесс или сказать, что растёт, а что падает. Форма линии зависит от того, какие оси выбрали: одна и та же изобара выглядит на трёх диаграммах по-разному. Запоминать девять картинок не надо — надёжнее каждый раз смотреть, что говорит формула.
Оси p–V. Изотерма: , обратная пропорциональность — значит гипербола. Изобара: не меняется — горизонтальная прямая. Изохора: не меняется — вертикальная прямая.
Обрати внимание: прямых на этих осях две, а не одна. Кривая здесь только у изотермы. Поэтому вопрос «какой процесс изображён на p–V прямой линией» сам по себе неоднозначен — смотри на саму картинку, горизонтальна прямая или вертикальна.
Оси V–T. Из уравнения состояния : при постоянном давлении объём растёт линейно с температурой. Значит, изобара — прямая, проходящая через начало координат. Изохора на этих осях горизонтальна, изотерма вертикальна.
Оси p–T. Всё симметрично: , поэтому через начало координат идёт уже изохора. Изобара горизонтальна, изотерма вертикальна.
Прямая через начало координат — примета кельвинов. Увидел такую линию — сначала посмотри на подпись оси температуры: через ноль она проходит только в кельвинах. Если ось подписана в градусах Цельсия, та же изобара пересечёт её не в нуле, а в −273 °C.
И ещё одно правило, которое экономит время на p–V. Из видно: чем дальше изотерма от начала координат, тем больше произведение , а значит — тем выше температура. Две изотермы одной и той же порции газа поэтому никогда не пересекаются.

Разбор: сколько азота выпустили из баллона
Как подступиться к задаче на уравнение состояния
Проверь себя
Пять вопросов ровно по тем местам, где на ЕГЭ теряют балл. Отвечай, не подглядывая в текст выше.
1.Идеальный газ изобарно нагрели от 27 °C до 127 °C. Во сколько раз увеличился его объём?
Изобарный процесс — закон Гей-Люссака, V/T = const, но T только в кельвинах: T₁ = 300 К, T₂ = 400 К. Значит V₂/V₁ = 400/300 ≈ 1,33. Вариант «в 4,7 раза» — это 127/27, то есть отношение в градусах Цельсия, где пропорциональности нет.
2.Газ медленно сжимают, поддерживая температуру постоянной. Как называется этот закон и какая величина остаётся постоянной?
T = const — это изотермический процесс, закон Бойля — Мариотта: вычёркиваем T из pV/T = const, остаётся pV = const. Гей-Люссак отвечает за постоянное давление, Шарль — за постоянный объём. А p/V = const не газовый закон вовсе: уравнение Менделеева — Клапейрона выглядит как pV = νRT.
3.Как выглядит изохорный процесс на диаграмме в осях p–V (давление по вертикали, объём по горизонтали)?
Изохорный процесс идёт при V = const, а объём отложен по горизонтали — значит линия вертикальна. Горизонтальная прямая на этих осях — изобара, гипербола — изотерма. Запомни: прямых на p–V две, поэтому формулировка «процесс изображён прямой» без уточнения, вертикальна она или горизонтальна, ничего не определяет.
4.В сосуде объёмом 2 л находится 0,4 моль идеального газа при температуре 250 К. Каково давление газа? Прими R = 8,31 Дж/(моль·К).
p = νRT/V. Литры обязательно переводим в кубометры: V = 2·10⁻³ м³. Тогда p = 0,4·8,31·250 / (2·10⁻³) = 831/0,002 = 415 500 Па ≈ 416 кПа. Вариант «0,42 кПа» получается ровно у того, кто подставил объём в литрах — промах в тысячу раз.
5.Газ в закрытом сосуде перевели из состояния p₁ = 200 кПа, V₁ = 3 л, T₁ = 300 К в состояние p₂ = 300 кПа, V₂ = 4 л. Какова конечная температура?
Сосуд закрыт, масса не менялась — работает объединённый закон p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂. Отсюда T₂ = T₁·(p₂V₂)/(p₁V₁) = 300·(300·4)/(200·3) = 300·2 = 600 К. Килопаскали и литры переводить не нужно: в отношении они сокращаются. А вот температуру пришлось бы перевести, будь она дана в Цельсиях.

Типичные ошибки на ЕГЭ
Подставляют градусы Цельсия вместо кельвинов. В и во всех трёх изопроцессах температура только абсолютная. Переводи сразу, при выписывании данных, — потом будет не до того.
Считают отношение температур по шкале Цельсия. «Нагрели с 27 до 54 °C — значит, в два раза» — неверно: это 300 К и 327 К, то есть рост всего в 1,09 раза. Шкала Цельсия сдвинута, и отношения в ней смысла не имеют.
Не переводят литры в кубометры и граммы на моль — в килограммы на моль. При подстановке в само уравнение это обязательно: 1 л = 10⁻³ м³, 28 г/моль = 28·10⁻³ кг/моль. Ошибка не в арифметике, а в подстановке, и цена ей — множитель 1000.
Применяют там, где масса изменилась. Объединённый закон выведен делением двух уравнений при одинаковом . Выпустили газ, подкачали баллон, перепустили половину — разное, и сокращать нечего. Пиши для каждого состояния отдельно.
Думают, что прямая на диаграмме p–V — это обязательно изобара. Прямых там две: изобара горизонтальна, изохора вертикальна. Гипербола — только у изотермы. Смотри не на «прямая ли линия», а на то, вдоль какой оси она идёт.
Путают фамилии. Гей-Люссак — постоянное давление (), Шарль — постоянный объём (). Их регулярно меняют местами, а в заданиях 9 и 10 законы называют именно по именам, без формулы рядом.
Запомни для ЕГЭ
На экзамене
- Задание 7 стоит 1 балл — закладывай на него не больше 3–4 минут. Перевёл в кельвины, выписал два состояния, а решение всё равно не проступает — отметь задание и иди дальше: впереди задачи по 2, 3 и 4 балла.
- Первое действие — всегда кельвины. Не «потом переведу», а прямо сейчас, рядом с выписанными данными.
- Спрашивают «во сколько раз» — не ищи количество вещества и не подставляй . Пиши отношение двух состояний, лишнее сократится само, а единицы и можно вообще не переводить.
- Заметил в условии «выпустили», «подкачали», «перепустили» — остановись. Это прямой сигнал, что масса изменилась и объединённый закон не применим.
- В задании 21 (качественная задача, 3 балла) изопроцессы — законный сюжет: закрытая бутылка, вынесенная из тёплой комнаты на мороз, сминается; шина нагревается на солнце, и давление в ней растёт. Формат ответа жёсткий: сначала прямо назови используемые законы и модель («идеальный газ», «закон Шарля»), потом веди рассуждение, потом вывод. Балл снимают за неназванный закон, даже если сама логика верна.
- Во второй части уравнение состояния — рабочий инструмент, а не отдельная задача. В задании 23 через находят массу газа или недостающий параметр; в задании 24 через считают температуры в вершинах цикла на p–V-диаграмме. Работа газа, первый закон и КПД — соседние темы, но без уравнения состояния они там не считаются.
- В части 2 подставляй числа в конечную формулу, а не в каждую промежуточную, и не забудь единицы в ответе. Отсутствие единиц — прямая потеря балла по критериям, даже если само число верное.
Лаборатория: переключи изопроцесс и следи за PV/T
Главное про изопроцессы разобрано выше, в блоке «Три изопроцесса, три закона, три имени»: изотермический — pV = const (Бойля — Мариотта), изобарный — V/T = const (Гей-Люссака), изохорный — p/T = const (Шарля). Все три — частные случаи объединённого газового закона pV/T = const при постоянной массе газа.
Открыть лабораторию в веб-кабинетеСловарь темы
Источники и проверка
20 источников
- Тема соответствует коду 2.2 кодификатора ФИПИ по физике: уравнение состояния идеального газа, изопроцессы.
- Границы темы: модель идеального газа, температура и основное уравнение МКТ — код 2.1; насыщенный пар — 2.3; внутренняя энергия, первый закон и работа газа — 2.4; тепловые двигатели и КПД — 2.5. Поэтому здесь они только упомянуты как мосты, без формул.
- Задание 7 — 1 балл, базовый уровень; расхождение источников по уровням его не касается.
- Уравнение Менделеева — Клапейрона: pV = νRT = (m/M)RT; R = 8,31 Дж/(моль·К) выдаётся в справочных материалах КИМ.
- Форма pV = (m/M)RT — рабочая для поиска массы газа, и на ней стоит жанр задания 23 «сколько газа выпустили».
- T = t + 273: абсолютная температура в кельвинах, ноль кельвинов соответствует −273 °C, T не бывает отрицательной.
- Перевод градусов Цельсия в кельвины — то место, где в этой теме чаще всего теряют балл; отношения температур по шкале Цельсия неверны.
- Единицы при подстановке в само уравнение: объём в м³ (1 л = 10⁻³ м³), давление в Па, молярная масса в кг/моль (32 г/моль = 32·10⁻³ кг/моль).
- В отношении двух состояний единицы p и V можно не переводить, а T — обязательно в кельвинах.
- Объединённый газовый закон pV/T = const (p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂) верен только при постоянной массе газа.
- Изотермический процесс — закон Бойля — Мариотта (pV = const); изобарный — закон Гей-Люссака (V/T = const); изохорный — закон Шарля (p/T = const).
- Законы газовых процессов на ЕГЭ спрашивают по фамилиям, без формулы рядом, — поэтому имена надо знать.
- На диаграмме p–V изотерма — гипербола, изобара — горизонтальная прямая, изохора — вертикальная прямая; прямых на этих осях две.
- В осях V–T изобара — прямая через начало координат, в осях p–T через начало координат идёт изохора; в обоих случаях ось температуры в кельвинах.
- Чем дальше изотерма от начала координат на диаграмме p–V, тем выше температура; изотермы одной порции газа не пересекаются.
- В задании 21 (качественная задача, 3 балла) МКТ — законный раздел, а формат ответа требует явно назвать используемые законы и модели.
- В задании 23 уравнение состояния даёт массу газа, в задании 24 — температуры в вершинах цикла на p–V-диаграмме.
- В части 2 числа подставляют в конечную формулу, а ответ без единиц измерения стоит балла.
- Лаборатория с id «mkt» реально существует в наборе «physics» и содержит именно изопроцессы — блок interactive указывает на существующий модуль и на релевантный теме режим.
- Арифметика разбора и проверочных вопросов пересчитана.
Утверждения сверены со спецификацией и кодификатором ФИПИ и с банком заданий НейроМиши, проверено редакцией, обновлено 2026-07-16.
Закрепи на тренажёре
Прочитал теорию — реши задания по теме. Миша подберёт уровень и разберёт ошибки.