Galvenais gāzu sistēmu termodinamikas izpētes priekšmets ir termodinamisko stāvokļu izmaiņas. Šādu izmaiņu rezultātā gāze var veikt darbu un uzkrāt iekšējo enerģiju. Tālāk esošajā rakstā pētīsim dažādas termodinamiskās pārejas ideālā gāzē. Īpaša uzmanība tiks pievērsta izotermiskā procesa grafika izpētei.
Ideālas gāzes
Spriežot pēc paša nosaukuma, varam teikt, ka 100% ideālas gāzes dabā nepastāv. Tomēr daudzas reālas vielas atbilst šim jēdzienam ar praktisku precizitāti.
Ideāla gāze ir jebkura gāze, kurā var neņemt vērā mijiedarbību starp tās daļiņām un to izmēriem. Abi nosacījumi ir izpildīti tikai tad, ja molekulu kinētiskā enerģija būs daudz lielāka par starp tām esošo saišu potenciālo enerģiju un attālumi starp molekulām būs daudz lielāki par daļiņu izmēru.
Lai noteiktu, kura irJa pētāmā gāze ir ideāla, varat izmantot vienkāršu īkšķa noteikumu: ja temperatūra sistēmā ir augstāka par istabas temperatūru, spiediens īpaši neatšķiras no atmosfēras spiediena vai mazāks par to, un molekulas, kas veido sistēmu ir ķīmiski inerti, tad gāze būs ideāla.
Galvenais likums
Mēs runājam par ideālās gāzes vienādojumu, ko sauc arī par Klepeirona-Mendeļejeva likumu. Šo vienādojumu XIX gadsimta 30. gados pierakstīja franču inženieris un fiziķis Emīls Klepeirons. Dažas desmitgades vēlāk krievu ķīmiķis Mendeļejevs to atnesa mūsdienu formā. Šis vienādojums izskatās šādi:
PV=nRT.
Vienādojuma kreisajā pusē ir spiediena P un tilpuma V reizinājums, vienādojuma labajā pusē ir temperatūras T un vielas daudzuma n reizinājums. R ir universālā gāzes konstante. Ņemiet vērā, ka T ir absolūtā temperatūra, ko mēra Kelvinos.
Klepeirona-Mendeļejeva likums vispirms tika iegūts no iepriekšējo gāzes likumu rezultātiem, tas ir, tā pamatā bija tikai eksperimentālā bāze. Attīstoties mūsdienu fizikai un šķidrumu kinētiskajai teorijai, ideālo gāzu vienādojumu var iegūt, ņemot vērā sistēmas daļiņu mikroskopisko uzvedību.
Izotermisks process
Neatkarīgi no tā, vai šis process notiek gāzēs, šķidrumos vai cietās vielās, tam ir ļoti skaidra definīcija. Izotermiskā pāreja ir pāreja starp diviem stāvokļiem, kuros sistēmas temperatūrasaglabājies, tas ir, paliek nemainīgs. Tāpēc izotermiskā procesa grafiks laika (x ass) - temperatūras (y ass) asīs būs horizontāla līnija.
Attiecībā uz ideālu gāzi mēs atzīmējam, ka tās izotermisko pāreju sauc par Boila-Mariota likumu. Šis likums tika atklāts eksperimentāli. Turklāt viņš kļuva par pirmo šajā jomā (17. gs. otrā puse). To var iegūt katrs students, ja viņš ņem vērā gāzes uzvedību slēgtā sistēmā (n=const) nemainīgā temperatūrā (T=const). Izmantojot stāvokļa vienādojumu, mēs iegūstam:
nRT=const=>
PV=konst.
Pēdējā vienlīdzība ir Boila-Mariotas likums. Fizikas mācību grāmatās var atrast arī šādu rakstīšanas veidu:
P1 V1=P2 V 2.
Pārejas laikā no izotermiskā stāvokļa 1 uz termodinamisko stāvokli 2, tilpuma un spiediena reizinājums paliek nemainīgs slēgtai gāzes sistēmai.
Pētītais likums runā par apgrieztu proporcionalitāti starp P un V vērtībām:
P=const / V.
Tas nozīmē, ka izotermiskā procesa grafiks ideālā gāzē būs hiperbolas līkne. Tālāk esošajā attēlā ir parādītas trīs hiperbolas.
Katru no tiem sauc par izotermu. Jo augstāka temperatūra sistēmā, jo tālāk no koordinātu asīm būs izoterma. No iepriekš redzamā attēla varam secināt, ka zaļā krāsa atbilst augstākajai temperatūrai sistēmā, bet zilā - zemākajai, ar nosacījumu, ka vielas daudzums visos trijossistēmas ir vienādas. Ja visas attēlā redzamās izotermas ir veidotas vienai un tai pašai temperatūrai, tas nozīmē, ka zaļā līkne atbilst vislielākajai sistēmai vielas daudzuma ziņā.
Iekšējās enerģijas izmaiņas izotermiskā procesa laikā
Ideālo gāzu fizikā ar iekšējo enerģiju saprot kinētisko enerģiju, kas saistīta ar molekulu rotācijas un translācijas kustību. No kinētiskās teorijas ir viegli iegūt šādu iekšējās enerģijas U formulu:
U=z / 2nRT.
Kur z ir molekulu brīvas kustības pakāpju skaits. Tas svārstās no 3 (monatomiskā gāze) līdz 6 (daudzatomu molekulas).
Izotermiska procesa gadījumā temperatūra paliek nemainīga, kas nozīmē, ka vienīgais iekšējās enerģijas izmaiņu iemesls ir matērijas daļiņu iziešana vai ienākšana sistēmā. Tādējādi slēgtās sistēmās to stāvokļa izotermisku izmaiņu laikā tiek saglabāta iekšējā enerģija.
Izobāriskie un izohoriskie procesi
Papildus Boila-Mariota likumam ir vēl divi pamata gāzes likumi, kas arī tika atklāti eksperimentāli. Viņiem ir franču Charles un Gay-Lussac vārdi. Matemātiski tie ir rakstīti šādi:
V / T=const, kad P=const;
P / T=const, kad V=const.
Čārlza likums saka, ka izobāriskā procesa laikā (P=const) tilpums lineāri ir atkarīgs no absolūtās temperatūras. Gay-Lussac likums norāda uz lineāru sakarību starp spiedienu un absolūto temperatūru izohoriskā stāvoklīpāreja (V=const).
No dotajām vienādībām izriet, ka izobarisko un izohorisko pāreju grafiki būtiski atšķiras no izotermiskā procesa. Ja izotermai ir hiperbolas forma, tad izobars un izohors ir taisnas līnijas.
Izobarisks-izotermisks process
Apskatot gāzes likumus, dažkārt tiek aizmirsts, ka papildus T, P un V vērtībām var mainīties arī n vērtība Klapeirona-Mendeļejeva likumā. Ja mēs nofiksējam spiedienu un temperatūru, tad iegūstam izobariskās-izotermiskās pārejas vienādojumu:
n / V=konst., kad T=konst., P=konst.
Lineārā attiecība starp vielas daudzumu un tilpumu liecina, ka vienādos apstākļos dažādas gāzes, kas satur vienādu vielas daudzumu, aizņem vienādus tilpumus. Piemēram, normālos apstākļos (0 oC, 1 atmosfēra) jebkuras gāzes molārais tilpums ir 22,4 litri. Apskatīto likumu sauc par Avogadro principu. Tas ir D altona ideālo gāzu maisījumu likuma pamatā.
