A minket körülvevő anyag gáz halmazállapota az anyag három általános formájának egyike. A fizikában ezt a folyékony halmazállapotot általában az ideális gáz közelítésében veszik figyelembe. Ezzel a közelítéssel a cikkben leírjuk a gázokban előforduló lehetséges izofolyamatokat.
Ideális gáz és a leírására szolgáló univerzális egyenlet
Ideális gáz az, amelynek részecskéinek nincsenek méretei, és nem lépnek kölcsönhatásba egymással. Nyilvánvaló, hogy nincs egyetlen gáz sem, amely pontosan megfelelne ezeknek a feltételeknek, mivel még a legkisebb atomnak is - a hidrogénnek - van egy bizonyos mérete. Sőt, még a semleges nemesgáz atomok között is van egy gyenge van der Waals kölcsönhatás. Ekkor felmerül a kérdés: milyen esetekben hagyható figyelmen kívül a gázrészecskék mérete és a köztük lévő kölcsönhatás? A válasz erre a kérdésre a következő fizikai-kémiai feltételek betartása lesz:
- alacsony nyomás (kb. 1 atmoszféra és ez alatt);
- magas hőmérséklet (körülbelül szobahőmérséklet és magasabb);
- molekulák és atomok kémiai tehetetlenségegáz.
Ha legalább az egyik feltétel nem teljesül, akkor a gázt valósnak kell tekinteni, és egy speciális van der Waals egyenlettel kell leírni.
A Mengyelejev-Clapeyron egyenletet az izofolyamatok tanulmányozása előtt figyelembe kell venni. Az ideális gázegyenlet a második neve. A következő jelöléssel rendelkezik:
PV=nRT
Azaz három termodinamikai paramétert kapcsol össze: P nyomást, T hőmérsékletet és V térfogatot, valamint az anyag n mennyiségét. Az R szimbólum itt a gázállandót jelöli, ez egyenlő 8,314 J / (Kmol).
Mik azok az izofolyamatok a gázokban?
Ezen folyamatok alatt a gáz két különböző állapota (kezdeti és végső) közötti átmeneteket értjük, amelyek eredményeként bizonyos mennyiségek megmaradnak, mások pedig megváltoznak. A gázokban háromféle izofolyamat létezik:
- izotermikus;
- isobaric;
- izokór.
Fontos megjegyezni, hogy mindegyiket kísérletileg tanulmányozták és leírták a 17. század második felétől a 19. század 30-as éveiig. E kísérleti eredmények alapján Émile Clapeyron 1834-ben egy univerzális egyenletet vezetett le a gázokra. Ez a cikk fordítva épül fel - az állapotegyenlet alkalmazásával képleteket kapunk az ideális gázok izofolyamataira.
Átmenet állandó hőmérsékleten
Izoterm folyamatnak hívják. Az ideális gáz állapotegyenletéből az következik, hogy zárt rendszerben állandó abszolút hőmérséklet mellett a szorzatnak állandónak kell maradnia.térfogat/nyomás, azaz:
PV=const
Ezt a kapcsolatot Robert Boyle és Edm Mariotte valóban megfigyelte a 17. század második felében, így a jelenleg rögzített egyenlőség az ő nevüket viseli.
A P(V) vagy V(P) funkcionális függőségek grafikusan kifejezve hiperboláknak tűnnek. Minél magasabb hőmérsékleten végezzük az izotermikus kísérletet, annál nagyobb a termék PV.
Izoterm folyamatban a gáz kitágul vagy összehúzódik, miközben belső energiája megváltoztatása nélkül végzi a munkáját.
Átmenet állandó nyomáson
Most tanulmányozzuk az izobár folyamatot, amely során a nyomást állandóan tartják. Ilyen átmenetre példa a gáz felmelegítése a dugattyú alatt. A melegítés hatására a részecskék mozgási energiája megnő, gyakrabban és nagyobb erővel kezdik elütni a dugattyút, aminek következtében a gáz kitágul. A tágulási folyamat során a gáz bizonyos munkát végez, melynek hatásfoka 40% (monatomikus gáznál).
Ennél az izofolyamatnál az ideális gáz állapotegyenlete szerint a következő összefüggésnek teljesülnie kell:
V/T=const
Könnyű elérni, ha az állandó nyomást a Clapeyron-egyenlet jobb oldalára, a hőmérsékletet pedig a bal oldalra visszük át. Ezt az egyenlőséget Károly törvényének nevezik.
Az egyenlőség azt jelzi, hogy a V(T) és T(V) függvények egyenesnek tűnnek a grafikonokon. A V(T) egyenesnek az abszcisszahoz viszonyított meredeksége minél kisebb, annál nagyobb a nyomásP.
Átmenet állandó hangerőn
A gázokban az utolsó izofolyamat, amelyet a cikkben tárgyalunk, az izokorikus átmenet. Az univerzális Clapeyron-egyenletet használva könnyen megszerezhető a következő egyenlőség ehhez az átmenethez:
P/T=állandó
Az izokhorikus átmenetet a Gay-Lussac törvény írja le. Látható, hogy grafikusan a P(T) és T(P) függvények egyenesek lesznek. Mindhárom izokoros folyamat közül az izokhorikus a leghatékonyabb, ha a rendszer hőmérsékletének növelése szükséges a külső hőellátás miatt. A folyamat során a gáz nem működik, vagyis az összes hőt a rendszer belső energiájának növelésére irányítják.
