Ideālā gāze, ideālās gāzes stāvokļa vienādojums, tās temperatūra un spiediens, tilpums… attiecīgajā fizikas sadaļā lietoto parametru un definīciju sarakstu var turpināt diezgan ilgi. Šodien mēs runāsim tikai par šo tēmu.
Kas tiek uzskatīts molekulārajā fizikā?
Šajā sadaļā aplūkotais galvenais objekts ir ideāla gāze. Ideālās gāzes stāvokļa vienādojums tika iegūts, ņemot vērā normālos vides apstākļus, un par to mēs runāsim nedaudz vēlāk. Tagad pievērsīsimies šai "problēmai" no tālienes.
Pieņemsim, ka mums ir kāda gāzes masa. Tās stāvokli var noteikt, izmantojot trīs termodinamiska rakstura parametrus. Tie, protams, ir spiediens, tilpums un temperatūra. Sistēmas stāvokļa vienādojums šajā gadījumā būs atbilstošo parametru attiecības formula. Tas izskatās šādi: F (p, V, T)=0.
Šeit mēs pirmo reizi lēnām tuvojamies tādas lietas kā ideāls parādīšanāsgāze. To sauc par gāzi, kurā mijiedarbība starp molekulām ir niecīga. Kopumā dabā tas nepastāv. Tomēr jebkura ļoti reta gāze ir tuvu tam. Slāpeklis, skābeklis un gaiss, kas atrodas normālos apstākļos, maz atšķiras no ideālā. Lai uzrakstītu ideālas gāzes stāvokļa vienādojumu, mēs varam izmantot vienoto gāzes likumu. Mēs iegūstam: pV/T=const.
Saistītais jēdziens Nr. 1: Avogadro likums
Viņš var mums pateikt, ka, ja mēs ņemam vienādu molu skaitu absolūti jebkuras nejaušas gāzes un novietosim tos tādos pašos apstākļos, ieskaitot temperatūru un spiedienu, tad gāzes aizņems tādu pašu tilpumu. Jo īpaši eksperiments tika veikts normālos apstākļos. Tas nozīmē, ka temperatūra bija 273,15 Kelvini, spiediens bija viena atmosfēra (760 dzīvsudraba staba milimetri jeb 101325 Paskāli). Ar šiem parametriem gāze aizņēma tilpumu, kas vienāds ar 22,4 litriem. Tāpēc mēs varam teikt, ka vienam molam jebkuras gāzes skaitlisko parametru attiecība būs nemainīga vērtība. Tāpēc tika nolemts šo skaitli apzīmēt ar burtu R un saukt par universālo gāzes konstanti. Tādējādi tas ir vienāds ar 8,31. Mērvienība ir J/molK.
Ideāla gāze. Ideālās gāzes stāvokļa vienādojums un tā manipulācijas
Mēģināsim pārrakstīt formulu. Lai to izdarītu, mēs to rakstām šādā formā: pV=RT. Tālāk mēs veicam vienkāršu darbību, reiziniet abas vienādojuma puses ar patvaļīgu molu skaitu. Mēs iegūstam pVu=uRT. Ņemsim vērā to, ka molārā tilpuma reizinājums unmatērijas daudzums ir vienkārši tilpums. Bet galu galā molu skaits vienlaikus būs vienāds ar masas un molārās masas koeficientu. Tieši tā izskatās Mendeļejeva-Klepeirona vienādojums. Tas sniedz skaidru priekšstatu par to, kāda veida sistēmu veido ideāla gāze. Ideālas gāzes stāvokļa vienādojums būs šāds: pV=mRT/M.
Izseciniet spiediena formulu
Veiksim vēl dažas manipulācijas ar iegūtajām izteiksmēm. Lai to izdarītu, Mendeļejeva-Klapeirona vienādojuma labā puse tiek reizināta un dalīta ar Avogadro skaitli. Tagad mēs rūpīgi aplūkojam vielas daudzuma reizinājumu pēc Avogadro skaitļa. Tas nav nekas cits kā kopējais molekulu skaits gāzē. Bet tajā pašā laikā universālās gāzes konstantes attiecība pret Avogadro skaitli būs vienāda ar Bolcmana konstanti. Tāpēc spiediena formulas var uzrakstīt šādi: p=NkT/V vai p=nkT. Šeit simbols n ir daļiņu koncentrācija.
Ideāli gāzes procesi
Molekulārajā fizikā ir tāda lieta kā izoprocesi. Tie ir termodinamiskie procesi, kas notiek sistēmā pie viena no nemainīgiem parametriem. Šajā gadījumā arī vielas masai jāpaliek nemainīgai. Apskatīsim tos konkrētāk. Tātad ideālās gāzes likumi.
Spiediens paliek nemainīgs
Šis ir Geja-Lusaka likums. Tas izskatās šādi: V/T=konst. To var pārrakstīt citā veidā: V=Vo (1 + at). Šeit a ir vienāds ar 1/273,15 K^-1, un to sauc par "tilpuma izplešanās koeficientu". Mēs varam aizstāt temperatūru gan pēc Celsija, ganKelvina skala. Pēdējā gadījumā mēs iegūstam formulu V=Voat.
Skaļums paliek nemainīgs
Šis ir Gay-Lussac otrais likums, ko biežāk dēvē par Kārļa likumu. Tas izskatās šādi: p/T=konst. Ir vēl viens formulējums: p=po (1 + at). Transformācijas var veikt saskaņā ar iepriekšējo piemēru. Kā redzat, ideālās gāzes likumi dažkārt ir diezgan līdzīgi.
Temperatūra paliek nemainīga
Ja ideālās gāzes temperatūra paliek nemainīga, mēs varam iegūt Boila-Mariota likumu. To var uzrakstīt šādi: pV=const.
Saistīts jēdziens Nr. 2: daļējs spiediens
Pieņemsim, ka mums ir trauks ar gāzēm. Tas būs maisījums. Sistēma atrodas termiskā līdzsvara stāvoklī, un pašas gāzes savā starpā nereaģē. Šeit N apzīmē kopējo molekulu skaitu. N1, N2 un tā tālāk, attiecīgi, molekulu skaits katrā maisījuma komponentā. Ņemsim spiediena formulu p=nkT=NkT/V. To var atvērt konkrētam gadījumam. Divkomponentu maisījumam formula būs šāda: p=(N1 + N2) kT/V. Bet tad izrādās, ka kopējais spiediens tiks summēts no katra maisījuma parciālajiem spiedieniem. Tātad, tas izskatīsies kā p1 + p2 un tā tālāk. Tie būs daļējie spiedieni.
Kam tas paredzēts?
Iegūtā formula norāda, ka spiediens sistēmā ir no katras molekulu grupas. Starp citu, tas nav atkarīgs nociti. D altons to izmantoja, formulējot likumu, kas vēlāk nosaukts viņa vārdā: maisījumā, kurā gāzes savā starpā ķīmiski nereaģē, kopējais spiediens būs vienāds ar parciālo spiedienu summu.
