Daripada empat keadaan agregat jirim, gas mungkin yang paling mudah dari segi penerangan fizikalnya. Dalam artikel itu, kami mempertimbangkan anggaran yang digunakan untuk penerangan matematik bagi gas sebenar, dan juga memberikan apa yang dipanggil persamaan Clapeyron.
Gas ideal
Semua gas yang kita hadapi semasa hidup (metana semula jadi, udara, oksigen, nitrogen, dan sebagainya) boleh diklasifikasikan sebagai ideal. Ideal ialah sebarang keadaan gas bagi jirim di mana zarah bergerak secara rawak ke arah yang berbeza, perlanggaran mereka adalah 100% kenyal, zarah tidak berinteraksi antara satu sama lain, ia adalah titik bahan (ia mempunyai jisim dan tiada isipadu).
Terdapat dua teori berbeza yang sering digunakan untuk menerangkan keadaan gas jirim: kinetik molekul (MKT) dan termodinamik. MKT menggunakan sifat-sifat gas ideal, taburan statistik halaju zarah, dan hubungan tenaga kinetik dan momentum kepada suhu untuk mengiraciri makroskopik sistem. Sebaliknya, termodinamik tidak menyelidiki struktur mikroskopik gas, ia menganggap sistem secara keseluruhan, menerangkannya dengan parameter termodinamik makroskopik.
Parameter termodinamik gas ideal
Terdapat tiga parameter utama untuk menerangkan gas ideal dan satu ciri makroskopik tambahan. Mari senaraikan mereka:
- Suhu T- mencerminkan tenaga kinetik molekul dan atom dalam gas. Dinyatakan dalam K (Kelvin).
- Jilid V - mencirikan sifat spatial sistem. Ditentukan dalam meter padu.
- Tekanan P - disebabkan oleh kesan zarah gas pada dinding kapal yang mengandunginya. Nilai ini diukur dalam sistem SI dalam pascal.
- Jumlah bahan n - unit yang mudah digunakan apabila menerangkan bilangan zarah yang besar. Dalam SI, n dinyatakan dalam mol.
Selanjutnya dalam artikel, formula persamaan Clapeyron akan diberikan, di mana keempat-empat ciri yang diterangkan bagi gas ideal hadir.
Persamaan keadaan sejagat
Persamaan keadaan gas ideal Clapeyron biasanya ditulis dalam bentuk berikut:
PV=nRT
Kesamaan menunjukkan bahawa hasil darab tekanan dan isipadu mestilah berkadar dengan hasil darab suhu dan jumlah bahan untuk sebarang gas ideal. Nilai R dipanggil pemalar gas sejagat dan pada masa yang sama pekali perkadaran antara utamaciri makroskopik sistem.
Ciri penting persamaan ini perlu diberi perhatian: ia tidak bergantung pada sifat kimia dan komposisi gas. Itulah sebabnya ia sering dipanggil universal.
Buat pertama kali kesamaan ini diperoleh pada tahun 1834 oleh ahli fizik dan jurutera Perancis Emile Clapeyron hasil daripada generalisasi undang-undang eksperimen Boyle-Mariotte, Charles dan Gay-Lussac. Walau bagaimanapun, Clapeyron menggunakan sistem pemalar yang agak menyusahkan. Selepas itu, semua pemalar Clapeyron digantikan dengan satu nilai tunggal R. Dmitry Ivanovich Mendeleev melakukan ini, oleh itu ungkapan bertulis juga dipanggil formula persamaan Clapeyron-Mendeleev.
Borang Persamaan Lain
Dalam perenggan sebelumnya, bentuk utama penulisan persamaan Clapeyron telah diberikan. Namun begitu, dalam masalah dalam fizik, kuantiti lain selalunya boleh diberikan dan bukannya jumlah jirim dan isipadu, jadi adalah berguna untuk memberikan bentuk penulisan lain persamaan universal untuk gas ideal.
Kesamaan berikut berikutan daripada teori MKT:
PV=NkBT.
Ini juga merupakan persamaan keadaan, hanya kuantiti N (bilangan zarah) kurang senang digunakan daripada jumlah bahan n yang muncul di dalamnya. Juga tiada pemalar gas sejagat. Sebaliknya, pemalar Boltzmann digunakan. Persamaan bertulis mudah ditukar kepada bentuk universal jika ungkapan berikut diambil kira:
n=N/NA;
R=NAkB.
Di sini NA- Nombor Avogadro.
Satu lagi bentuk persamaan keadaan yang berguna ialah:
PV=m/MRT
Di sini, nisbah jisim m gas kepada jisim molar M ialah, mengikut takrifan, jumlah bahan n.
Akhir sekali, satu lagi ungkapan berguna untuk gas ideal ialah formula yang menggunakan konsep ketumpatannya ρ:
P=ρRT/M
Menyelesaikan Masalah
Hidrogen berada dalam silinder 150 liter di bawah tekanan 2 atmosfera. Adalah perlu untuk mengira ketumpatan gas jika suhu silinder diketahui 300 K.
Sebelum kita mula menyelesaikan masalah, mari tukar unit tekanan dan isipadu kepada SI:
P=2 atm.=2101325=202650 Pa;
V=15010-3=0.15 m3.
Untuk mengira ketumpatan hidrogen, gunakan persamaan berikut:
P=ρRT/M.
Daripadanya kita dapat:
ρ=MP/(RT).
Jisim molar hidrogen boleh dilihat dalam jadual berkala Mendeleev. Ia bersamaan dengan 210-3kg/mol. Nilai R ialah 8.314 J/(molK). Menggantikan nilai ini dan nilai tekanan, suhu dan isipadu daripada keadaan masalah, kami memperoleh ketumpatan hidrogen berikut dalam silinder:
ρ=210-3202650/(8, 314300)=0.162 kg/m3.
Sebagai perbandingan, ketumpatan udara adalah lebih kurang 1.225 kg/m3pada tekanan 1 atmosfera. Hidrogen kurang tumpat, kerana jisim molarnya jauh lebih kecil daripada jisim udara (15 kali ganda).
