A gázrendszerek termodinamikájának tanulmányozásának fő témája a termodinamikai állapotok változása. Az ilyen változások eredményeként a gáz munkát végezhet és belső energiát tárolhat. Tanulmányozzuk az alábbi cikkben a különböző termodinamikai átmeneteket egy ideális gázban. Különös figyelmet kell fordítani az izoterm folyamat grafikonjának tanulmányozására.
Ideális gázok
A nevéből ítélve azt mondhatjuk, hogy 100%-ban ideális gázok nem léteznek a természetben. Sok valódi anyag azonban gyakorlati pontossággal megfelel ennek az elképzelésnek.
Az ideális gáz minden olyan gáz, amelyben a részecskéi és méreteik közötti kölcsönhatás elhanyagolható. Mindkét feltétel csak akkor teljesül, ha a molekulák kinetikus energiája sokkal nagyobb lesz, mint a köztük lévő kötések potenciális energiája, és a molekulák közötti távolságok sokkal nagyobbak, mint a részecskeméret.
Annak meghatározása, hogy melyikHa a vizsgált gáz ideális, használhatunk egy egyszerű ökölszabályt: ha a rendszerben a hőmérséklet szobahőmérséklet felett van, akkor a nyomás nem nagyon különbözik a légköri nyomástól, vagy kisebb annál, és a rendszert alkotó molekulák kémiailag inert, akkor a gáz ideális lesz.
Fő törvény
Az ideális gázegyenletről beszélünk, amelyet Clapeyron-Mengyelejev törvénynek is neveznek. Ezt az egyenletet Emile Clapeyron francia mérnök és fizikus írta le a XIX. század 30-as éveiben. Néhány évtizeddel később az orosz kémikus, Mengyelejev hozta a modern formáját. Ez az egyenlet így néz ki:
PV=nRT.
Az egyenlet bal oldalán a P nyomás és a V térfogat szorzata, az egyenlet jobb oldalán a T hőmérséklet és az n anyag mennyiségének szorzata található. R az univerzális gázállandó. Vegye figyelembe, hogy T az abszolút hőmérséklet, amelyet Kelvinben mérnek.
A Clapeyron-Mengyelejev törvényt először a korábbi gáztörvények eredményeiből kaptuk, vagyis kizárólag a kísérleti alapon alapult. A modern fizika és a folyadékok kinetikai elméletének fejlődésével az ideális gázegyenlet a rendszer részecskéinek mikroszkopikus viselkedésének figyelembevételével származtatható.
Izotermikus folyamat
Függetlenül attól, hogy ez a folyamat gázokban, folyadékokban vagy szilárd anyagokban megy végbe, nagyon világos meghatározása van. Az izoterm átmenet két olyan állapot közötti átmenet, amelyben a rendszer hőmérsékletemegőrzi, azaz változatlan marad. Ezért az izoterm folyamat grafikonja az idő (x tengely) - hőmérséklet (y tengely) tengelyében vízszintes vonal lesz.
Az ideális gázra vonatkozóan megjegyezzük, hogy az izoterm átmenetet Boyle-Mariotte törvénynek nevezik. Ezt a törvényt kísérleti úton fedezték fel. Ráadásul ő lett az első ezen a területen (17. század második fele). Ezt minden tanuló megkaphatja, ha figyelembe veszi a gáz viselkedését zárt rendszerben (n=const) állandó hőmérsékleten (T=const). Az állapotegyenlet felhasználásával a következőt kapjuk:
nRT=állandó=>
PV=állandó
Az utolsó egyenlőség a Boyle-Mariotte törvény. A fizika tankönyvekben ezt az írási formát is megtalálod:
P1 V1=P2 V 2.
Az 1. izoterm állapotból a 2. termodinamikai állapotba való átmenet során a térfogat és a nyomás szorzata zárt gázrendszer esetén állandó marad.
A vizsgált törvény P és V értékei fordított arányosságáról beszél:
P=állandó / V.
Ez azt jelenti, hogy az ideális gáz izotermikus folyamatának grafikonja hiperbola görbe lesz. Az alábbi ábrán három hiperbola látható.
Mindegyiküket izotermának nevezik. Minél magasabb a hőmérséklet a rendszerben, annál távolabb lesz az izoterma a koordinátatengelyektől. A fenti ábrából azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a zöld a rendszer legmagasabb hőmérsékletének, a kék pedig a legalacsonyabb hőmérsékletnek felel meg, feltéve, hogy mindhárom anyag mennyiségerendszerek ugyanazok. Ha az ábrán az összes izoterma ugyanarra a hőmérsékletre épül, akkor ez azt jelenti, hogy a zöld görbe az anyagmennyiséget tekintve a legnagyobb rendszernek felel meg.
Belső energia változása izoterm folyamat során
Az ideális gázok fizikájában a belső energia alatt a molekulák forgó és transzlációs mozgásához kapcsolódó kinetikus energiát értjük. A kinetikai elméletből könnyen megkaphatjuk a következő képletet az U belső energiára:
U=z / 2nRT.
Ahol z a molekulák szabad mozgási fokozatainak száma. 3-tól (egyatomos gáz) 6-ig (többatomos molekulák) terjed.
Izoterm folyamat esetén a hőmérséklet állandó marad, ami azt jelenti, hogy a belső energia változásának egyetlen oka az anyagrészecskék rendszerbe való kilépése vagy érkezése. Így a zárt rendszerekben az állapot izotermikus változása során a belső energia megmarad.
Izobár és izokor folyamatok
A Boyle-Mariotte törvényen kívül van még két alapvető gáztörvény, amelyeket szintén kísérleti úton fedeztek fel. A francia Charles és Gay-Lussac nevét viselik. Matematikailag így írják:
V / T=const, ha P=const;
P / T=állandó, amikor V=állandó.
Károly törvénye szerint egy izobár folyamat során (P=const) a térfogat lineárisan függ az abszolút hőmérséklettől. A Gay-Lussac-törvény lineáris összefüggést jelez a nyomás és az abszolút hőmérséklet között izokhorikusanátmenet (V=állandó).
A megadott egyenlőségekből az következik, hogy az izobár és izochor átmenetek grafikonjai jelentősen eltérnek az izoterm folyamattól. Ha az izoterma hiperbola alakú, akkor az izobár és az izokor egyenesek.
Izobár-izoterm folyamat
A gáztörvények mérlegelésekor néha elfelejtjük, hogy a T, P és V értékein kívül a Clapeyron-Mengyelejev törvényben szereplő n értéke is változhat. Ha rögzítjük a nyomást és a hőmérsékletet, akkor megkapjuk az izobár-izoterm átmenet egyenletét:
n / V=állandó, ha T=állandó, P=állandó.
Az anyag mennyisége és térfogata közötti lineáris összefüggés arra utal, hogy azonos körülmények között az azonos mennyiségű anyagot tartalmazó különböző gázok azonos térfogatot foglalnak el. Például normál körülmények között (0 oC, 1 atmoszféra) bármely gáz moláris térfogata 22,4 liter. A figyelembe vett törvényt Avogadro elvének nevezik. Ez az ideális gázkeverékek D alton-törvényének alapja.
