Apkārt esošās vielas gāzveida stāvoklis ir viena no trim izplatītākajām matērijas formām. Fizikā šis šķidrais agregācijas stāvoklis parasti tiek ņemts vērā ideālās gāzes tuvināšanā. Izmantojot šo tuvinājumu, mēs rakstā aprakstām iespējamos izoprocesus gāzēs.
Ideāla gāze un universālais vienādojums tās aprakstīšanai
Ideāla gāze ir gāze, kuras daļiņām nav izmēru un kuras savstarpēji mijiedarbojas. Acīmredzot nav nevienas gāzes, kas precīzi atbilstu šiem nosacījumiem, jo pat mazākajam atomam - ūdeņradim - ir noteikts izmērs. Turklāt pat starp neitrāliem cēlgāzes atomiem ir vāja van der Vāla mijiedarbība. Tad rodas jautājums: kādos gadījumos var atstāt novārtā gāzes daļiņu izmēru un mijiedarbību starp tām? Atbilde uz šo jautājumu būs šādu fizikāli ķīmisko nosacījumu ievērošana:
- zems spiediens (apmēram 1 atmosfēra un zemāks);
- augsta temperatūra (apmēram istabas temperatūra un augstāka);
- molekulu un atomu ķīmiskā inercegāze.
Ja nav izpildīts vismaz viens no nosacījumiem, gāze jāuzskata par reālu un jāapraksta ar īpašu van der Vālsa vienādojumu.
Pirms izoprocesu pētīšanas jāņem vērā Mendeļejeva-Klepeirona vienādojums. Ideālās gāzes vienādojums ir tā otrais nosaukums. Tam ir šāds apzīmējums:
PV=nRT
Tas ir, tas saista trīs termodinamiskos parametrus: spiedienu P, temperatūru T un tilpumu V, kā arī vielas daudzumu n. Simbols R šeit apzīmē gāzes konstanti, tas ir vienāds ar 8,314 J / (Kmol).
Kas ir izoprocesi gāzēs?
Šie procesi tiek saprasti kā pārejas starp diviem dažādiem gāzes stāvokļiem (sākotnējo un beigu), kā rezultātā daži daudzumi tiek saglabāti, bet citi mainās. Gāzēs ir trīs izoprocesu veidi:
- izotermisks;
- isobaric;
- izohorisks.
Svarīgi atzīmēt, ka tie visi eksperimentāli pētīti un aprakstīti laika posmā no 17. gadsimta otrās puses līdz 19. gadsimta 30. gadiem. Pamatojoties uz šiem eksperimentālajiem rezultātiem, Emīls Klepeirons 1834. gadā atvasināja vienādojumu, kas ir universāls gāzēm. Šis raksts ir veidots otrādi - pielietojot stāvokļa vienādojumu, iegūstam formulas izoprocesiem ideālās gāzēs.
Pāreja nemainīgā temperatūrā
To sauc par izotermisku procesu. No ideālās gāzes stāvokļa vienādojuma izriet, ka pie nemainīgas absolūtas temperatūras slēgtā sistēmā produktam jāpaliek nemainīgamtilpums pret spiedienu, t.i.:
PV=const
Šīs attiecības patiešām novēroja Roberts Boils un Edms Mariote 17. gadsimta otrajā pusē, tāpēc pašlaik reģistrētajai vienlīdzībai ir viņu nosaukumi.
Grafiski izteiktas funkcionālās atkarības P(V) vai V(P) izskatās kā hiperbolas. Jo augstāka temperatūra, kurā tiek veikts izotermiskais eksperiments, jo lielāks ir produkts PV.
Izotermiskā procesā gāze izplešas vai saraujas, veicot darbu, nemainot savu iekšējo enerģiju.
Pāreja pie nemainīga spiediena
Tagad izpētīsim izobārisko procesu, kura laikā spiediens tiek uzturēts nemainīgs. Šādas pārejas piemērs ir gāzes sildīšana zem virzuļa. Karsēšanas rezultātā palielinās daļiņu kinētiskā enerģija, tās sāk biežāk un ar lielāku spēku atsist pret virzuli, kā rezultātā gāze izplešas. Izplešanās procesā gāze veic kādu darbu, kura efektivitāte ir 40% (monatomiskai gāzei).
Šim izoprocesam ideālas gāzes stāvokļa vienādojums nosaka, ka ir jāpastāv šādai sakarībai:
V/T=const
To ir viegli iegūt, ja pastāvīgs spiediens tiek pārnests uz Clapeyron vienādojuma labo pusi, bet temperatūra - uz kreiso pusi. Šo vienlīdzību sauc par Kārļa likumu.
Vienādība norāda, ka funkcijas V(T) un T(V) grafikos izskatās kā taisnas līnijas. Līnijas V(T) slīpums attiecībā pret abscisu būs mazāks, jo lielāks spiediensP.
Pāreja nemainīgā skaļumā
Pēdējais izoprocess gāzēs, ko aplūkosim rakstā, ir izohoriskā pāreja. Izmantojot universālo Klepeirona vienādojumu, šai pārejai ir viegli iegūt šādu vienādību:
P/T=const
Izohorisko pāreju apraksta Geja-Lusaka likums. Redzams, ka grafiski funkcijas P(T) un T(P) būs taisnas līnijas. No visiem trim izohoriskajiem procesiem izohoriskais ir visefektīvākais, ja ir nepieciešams paaugstināt sistēmas temperatūru ārējā siltuma padeves dēļ. Šī procesa laikā gāze nedarbojas, tas ir, viss siltums tiks novirzīts, lai palielinātu sistēmas iekšējo enerģiju.
