Katrs cilvēks savas dzīves laikā sastopas ar ķermeņiem, kas atrodas vienā no trim matērijas agregētajiem stāvokļiem. Vienkāršākais agregācijas stāvoklis, ko pētīt, ir gāze. Rakstā aplūkosim ideālās gāzes jēdzienu, dosim sistēmas stāvokļa vienādojumu, kā arī pievērsīsim uzmanību absolūtās temperatūras aprakstam.
Gāzes stāvoklis
Katram skolēnam ir labs priekšstats par to, par kādu vielas stāvokli viņš runā, dzirdot vārdu "gāze". Šis vārds tiek saprasts kā ķermenis, kas spēj ieņemt jebkuru tam paredzēto apjomu. Tas nespēj saglabāt savu formu, jo nespēj pretoties pat mazākajai ārējai ietekmei. Tāpat gāze nesaglabā tilpumu, kas to atšķir ne tikai no cietām vielām, bet arī no šķidrumiem.
Gāze tāpat kā šķidrums ir šķidra viela. Cieto ķermeņu kustības procesā gāzēs pēdējie kavē šo kustību. Iegūto spēku sauc par pretestību. Tās vērtība ir atkarīga noķermeņa ātrums gāzē.
Spēcīgi gāzu piemēri ir gaiss, dabasgāze, ko izmanto māju apkurei un ēdiena gatavošanai, inertās gāzes (Ne, Ar), ko izmanto, lai aizpildītu reklāmas kvēlspuldzes vai ko izmanto, lai radītu inertu (neagresīvu, aizsargājošu) vidi metināšanas laikā..
Ideāla gāze
Pirms turpināt gāzes likumu un stāvokļu vienādojuma aprakstu, jums vajadzētu labi saprast jautājumu par to, kas ir ideāla gāze. Šis jēdziens ir ieviests molekulārkinētiskajā teorijā (MKT). Ideāla gāze ir jebkura gāze, kas atbilst šādiem raksturlielumiem:
- Daļiņas, kas to veido, mijiedarbojas viena ar otru, izņemot tiešu mehānisku sadursmi.
- Daļiņu sadursmes rezultātā ar trauka sienām vai savā starpā to kinētiskā enerģija un impulss saglabājas, tas ir, sadursme tiek uzskatīta par absolūti elastīgu.
- Daļiņām nav izmēru, bet tām ir ierobežota masa, tas ir, tās ir līdzīgas materiālajiem punktiem.
Ir dabiski, ka jebkura gāze nav ideāla, bet gan īsta. Tomēr daudzu praktisku problēmu risināšanai šie tuvinājumi ir diezgan derīgi un tos var izmantot. Pastāv vispārējs empīrisks noteikums, kas saka: neatkarīgi no ķīmiskās būtības, ja gāzei ir temperatūra virs istabas temperatūras un spiediens ir atmosfēras vai zemāks, tad to var uzskatīt par ideālu ar augstu precizitāti un var izmantot, lai aprakstītu. to.ideālās gāzes stāvokļa vienādojuma formula.
Klepeirona-Mendeļejeva likums
Pārejas starp dažādiem vielas agregētajiem stāvokļiem un procesiem vienā agregāta stāvoklī apstrādā termodinamika. Spiediens, temperatūra un tilpums ir trīs lielumi, kas unikāli nosaka jebkuru termodinamiskās sistēmas stāvokli. Ideālas gāzes stāvokļa vienādojuma formula apvieno visus trīs šos lielumus vienā vienādībā. Uzrakstīsim šo formulu:
PV=nRT
Šeit P, V, T - attiecīgi spiediens, tilpums, temperatūra. Vērtība n ir vielas daudzums molos, un simbols R apzīmē gāzu universālo konstanti. Šī vienādība parāda, ka jo lielāks ir spiediena un tilpuma reizinājums, jo lielākam jābūt vielas daudzuma un temperatūras reizinājumam.
Gāzes stāvokļa vienādojuma formulu sauc par Klepeirona-Mendeļejeva likumu. 1834. gadā franču zinātnieks Emīls Klepeirons, apkopojot savu priekšgājēju eksperimentālos rezultātus, nonāca pie šī vienādojuma. Tomēr Klepeirons izmantoja vairākas konstantes, kuras Mendeļejevs vēlāk aizstāja ar vienu - universālo gāzes konstanti R (8, 314 J / (molK)). Tāpēc mūsdienu fizikā šis vienādojums ir nosaukts franču un krievu zinātnieku vārdos.
Citas vienādojumu formas
Iepriekš mēs uzrakstījām Mendeļejeva-Klapeirona stāvokļa vienādojumu ideālai gāzei vispārpieņemtajā unērta forma. Tomēr termodinamikas problēmās bieži var būt nepieciešama nedaudz atšķirīga forma. Tālāk ir uzrakstītas vēl trīs formulas, kas tieši izriet no uzrakstītā vienādojuma:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Šie trīs vienādojumi ir universāli arī ideālai gāzei, tikai tajos parādās tādi lielumi kā masa m, molārā masa M, blīvums ρ un daļiņu skaits N, kas veido sistēmu. Simbols kB šeit apzīmē Bolcmaņa konstanti (1, 3810-23J/K).
Boila-Mariotas likums
Kad Klepeirons sastādīja savu vienādojumu, viņš balstījās uz gāzes likumiem, kas eksperimentāli tika atklāti pirms vairākiem gadu desmitiem. Viens no tiem ir Boila-Mariotas likums. Tas atspoguļo izotermisku procesu slēgtā sistēmā, kā rezultātā mainās tādi makroskopiski parametri kā spiediens un tilpums. Ja ideālas gāzes stāvokļa vienādojumā ievietosim konstanti T un n, tad gāzes likumam būs šāda forma:
P1V1=P2V 2
Šis ir Boila-Mariota likums, kas saka, ka spiediena un tilpuma reizinājums tiek saglabāts patvaļīga izotermiskā procesa laikā. Šajā gadījumā pašas vērtības P un V mainās.
Ja attēlojat P(V) vai V(P), tad izotermas būs hiperbolas.
Čārlza un Geja-Lusaka likumi
Šie likumi matemātiski apraksta izobārisko un izohoriskoprocesi, tas ir, tādas pārejas starp gāzes sistēmas stāvokļiem, kurās tiek saglabāts attiecīgi spiediens un tilpums. Kārļa likumu var matemātiski uzrakstīt šādi:
V/T=konst., kad n, P=konst.
Geja-Lusaka likums ir rakstīts šādi:
P/T=konst., kad n, V=konst.
Ja abas vienādības ir attēlotas grafa formā, tad iegūsim taisnas līnijas, kas ir slīpi kādā leņķī pret x asi. Šāda veida diagramma parāda tiešu proporcionalitāti starp tilpumu un temperatūru pie nemainīga spiediena un starp spiedienu un temperatūru nemainīgā tilpumā.
Ņemiet vērā, ka visos trīs aplūkotajos gāzes likumos nav ņemts vērā gāzes ķīmiskais sastāvs, kā arī tās vielas daudzuma izmaiņas.
Absolūtā temperatūra
Ikdienā esam pieraduši izmantot Celsija temperatūras skalu, jo tā ir ērta, lai aprakstītu procesus mums apkārt. Tātad ūdens vārās pie 100 oC un sasalst pie 0 oC. Fizikā šī skala izrādās neērta, tāpēc tiek izmantota tā sauktā absolūtā temperatūras skala, ko 19. gadsimta vidū ieviesa lords Kelvins. Saskaņā ar šo skalu temperatūru mēra Kelvinos (K).
Tiek uzskatīts, ka temperatūrā -273, 15 oC atomu un molekulu termiskās vibrācijas nenotiek, to kustība uz priekšu pilnībā apstājas. Šī temperatūra Celsija grādos atbilst absolūtajai nullei Kelvinos (0 K). No šīs definīcijasabsolūtās temperatūras fizikālā nozīme ir šāda: tas ir vielu, kas veido vielu, piemēram, atomu vai molekulu, kinētiskās enerģijas mērs.
Papildus iepriekšminētajai absolūtās temperatūras fiziskajai nozīmei, ir arī citas pieejas šī daudzuma izpratnei. Viens no tiem ir minētais Kārļa gāzes likums. Uzrakstīsim to šādā formā:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Pēdējā vienādība saka, ka pie noteikta vielas daudzuma sistēmā (piemēram, 1 mol) un noteikta spiediena (piemēram, 1 Pa) gāzes tilpums unikāli nosaka absolūto temperatūru. Citiem vārdiem sakot, gāzes tilpuma palielināšanās šajos apstākļos ir iespējama tikai temperatūras paaugstināšanās dēļ, un tilpuma samazināšanās norāda uz T vērtības samazināšanos.
Atcerieties, ka atšķirībā no Celsija temperatūras absolūtā temperatūra nevar būt negatīva.
Avogadro princips un gāzu maisījumi
Papildus iepriekšminētajiem gāzes likumiem ideālas gāzes stāvokļa vienādojums noved arī pie principa, ko 19. gadsimta sākumā atklāja Amedeo Avogadro un kas nes viņa uzvārdu. Šis princips nosaka, ka jebkuras gāzes tilpumu nemainīgā spiedienā un temperatūrā nosaka vielas daudzums sistēmā. Atbilstošā formula izskatās šādi:
n/V=konst., kad P, T=konst.
Rakstītā izteiksme noved pie ideālās gāzes fizikā labi zināmā D altona likuma par gāzu maisījumiem. Šislikums nosaka, ka gāzes parciālo spiedienu maisījumā unikāli nosaka tās atomu daļa.
Problēmu risināšanas piemērs
Slēgtā traukā ar stingrām sienām, kas satur ideālu gāzi, karsēšanas rezultātā spiediens palielinājās 3 reizes. Ir nepieciešams noteikt sistēmas galīgo temperatūru, ja tās sākotnējā vērtība bija 25 oC.
Pirmkārt, pārveidosim temperatūru no Celsija grādiem uz Kelvinu, mums ir:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Tā kā trauka sienas ir stingras, sildīšanas procesu var uzskatīt par izohorisku. Šajā gadījumā mēs piemērojam Gay-Lussac likumu, mums ir:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Tādējādi galīgo temperatūru nosaka no spiediena attiecības un sākotnējās temperatūras reizinājuma. Aizstājot datus vienādībā, iegūstam atbildi: T2=894,45 K. Šī temperatūra atbilst 621,3 oC.
