Subjek utama mengkaji termodinamik sistem gas ialah perubahan dalam keadaan termodinamik. Hasil daripada perubahan tersebut, gas boleh melakukan kerja dan menyimpan tenaga dalaman. Mari kita kaji dalam artikel di bawah peralihan termodinamik yang berbeza dalam gas ideal. Perhatian khusus akan diberikan kepada mengkaji graf proses isoterma.
Gas ideal
Berdasarkan namanya, kita boleh katakan bahawa 100% gas ideal tidak wujud di alam semula jadi. Walau bagaimanapun, banyak bahan sebenar memenuhi konsep ini dengan ketepatan praktikal.
Gas ideal ialah sebarang gas yang interaksi antara zarahnya dan saiznya boleh diabaikan. Kedua-dua keadaan dipenuhi hanya jika tenaga kinetik molekul akan lebih besar daripada tenaga potensi ikatan di antara mereka, dan jarak antara molekul akan lebih besar daripada saiz zarah.
Untuk menentukan yang manaJika gas yang dikaji adalah ideal, anda boleh menggunakan peraturan mudah: jika suhu dalam sistem melebihi suhu bilik, tekanan tidak jauh berbeza daripada tekanan atmosfera atau kurang daripadanya, dan molekul yang membentuk sistem lengai secara kimia, maka gas akan menjadi ideal.
Undang-undang Utama
Kita bercakap tentang persamaan gas ideal, yang juga dipanggil undang-undang Clapeyron-Mendeleev. Persamaan ini ditulis pada 30-an abad XIX oleh jurutera dan ahli fizik Perancis Emile Clapeyron. Beberapa dekad kemudian, ahli kimia Rusia Mendeleev membawanya ke bentuk modennya. Persamaan ini kelihatan seperti ini:
PV=nRT.
Di sebelah kiri persamaan ialah hasil darab tekanan P dan isipadu V, di sebelah kanan persamaan ialah hasil darab suhu T dan jumlah bahan n. R ialah pemalar gas sejagat. Ambil perhatian bahawa T ialah suhu mutlak, yang diukur dalam Kelvins.
Undang-undang Clapeyron-Mendeleev pertama kali diperoleh daripada keputusan undang-undang gas sebelumnya, iaitu, ia hanya berdasarkan asas eksperimen. Dengan perkembangan fizik moden dan teori kinetik bendalir, persamaan gas ideal boleh diperolehi daripada mempertimbangkan kelakuan mikroskopik zarah sistem.
Proses isoterma
Tidak kira sama ada proses ini berlaku dalam gas, cecair atau pepejal, ia mempunyai definisi yang sangat jelas. Peralihan isoterma ialah peralihan antara dua keadaan di mana suhu sistemdipelihara, iaitu, kekal tidak berubah. Oleh itu, graf proses isoterma dalam paksi masa (paksi x) - suhu (paksi y) akan menjadi garis mendatar.
Mengenai gas ideal, kami perhatikan bahawa peralihan isoterma untuknya dipanggil undang-undang Boyle-Mariotte. Undang-undang ini ditemui secara eksperimen. Lebih-lebih lagi, dia menjadi yang pertama di kawasan ini (separuh kedua abad ke-17). Ia boleh diperolehi oleh setiap pelajar jika dia menganggap kelakuan gas dalam sistem tertutup (n=const) pada suhu malar (T=const). Dengan menggunakan persamaan keadaan, kita dapat:
nRT=const=>
PV=const.
Persamaan terakhir ialah undang-undang Boyle-Mariotte. Dalam buku teks fizik, anda juga boleh menemui bentuk penulisan ini:
P1 V1=P2 V 2.
Semasa peralihan daripada keadaan seisoterma 1 kepada keadaan termodinamik 2, hasil darab isipadu dan tekanan kekal malar untuk sistem gas tertutup.
Hukum yang dikaji bercakap tentang perkadaran songsang antara nilai P dan V:
P=const / V.
Ini bermakna graf proses isoterma dalam gas ideal akan menjadi lengkung hiperbola. Tiga hiperbola ditunjukkan dalam rajah di bawah.
Setiap daripadanya dipanggil isoterma. Semakin tinggi suhu dalam sistem, semakin jauh dari paksi koordinat isoterma akan berada. Daripada rajah di atas, kita boleh membuat kesimpulan bahawa hijau sepadan dengan suhu tertinggi dalam sistem, dan biru ke paling rendah, dengan syarat jumlah bahan dalam ketiga-tigasistem adalah sama. Jika semua isoterma dalam rajah dibina untuk suhu yang sama, maka ini bermakna lengkung hijau sepadan dengan sistem terbesar dari segi jumlah bahan.
Perubahan tenaga dalaman semasa proses isoterma
Dalam fizik gas ideal, tenaga dalaman difahami sebagai tenaga kinetik yang berkaitan dengan gerakan putaran dan translasi molekul. Daripada teori kinetik adalah mudah untuk mendapatkan formula berikut untuk tenaga dalaman U:
U=z / 2nRT.
Di mana z ialah bilangan darjah pergerakan bebas molekul. Ia berjulat daripada 3 (gas monatomik) hingga 6 (molekul poliatomik).
Dalam kes proses isoterma, suhu kekal malar, yang bermaksud bahawa satu-satunya sebab perubahan dalam tenaga dalaman ialah keluar atau ketibaan zarah jirim ke dalam sistem. Oleh itu, dalam sistem tertutup, semasa perubahan isoterma dalam keadaannya, tenaga dalaman dipelihara.
Proses isobarik dan isochorik
Selain undang-undang Boyle-Mariotte, terdapat dua lagi undang-undang gas asas yang turut ditemui secara eksperimen. Mereka membawa nama Charles Perancis dan Gay-Lussac. Secara matematik, mereka ditulis seperti ini:
V / T=const apabila P=const;
P / T=const apabila V=const.
Hukum Charles mengatakan bahawa semasa proses isobarik (P=const) isipadu bergantung secara linear pada suhu mutlak. Hukum Gay-Lussac menunjukkan hubungan linear antara tekanan dan suhu mutlak pada isochorikperalihan (V=const).
Daripada kesamaan yang diberikan, graf peralihan isobarik dan isokhorik berbeza dengan ketara daripada proses isoterma. Jika isoterma mempunyai bentuk hiperbola, maka isobar dan isokor ialah garis lurus.
Proses isobarik-isoterma
Apabila mempertimbangkan undang-undang gas, kadangkala terlupa bahawa, sebagai tambahan kepada nilai T, P dan V, nilai n dalam undang-undang Clapeyron-Mendeleev juga boleh berubah. Jika kita menetapkan tekanan dan suhu, maka kita mendapat persamaan peralihan isobarik-isoterma:
n / V=const apabila T=const, P=const.
Hubungan linear antara jumlah bahan dan isipadu menunjukkan bahawa dalam keadaan yang sama, gas berbeza yang mengandungi jumlah bahan yang sama menduduki isipadu yang sama. Contohnya, dalam keadaan biasa (0 oC, 1 atmosfera), isipadu molar mana-mana gas ialah 22.4 liter. Undang-undang yang dipertimbangkan dipanggil prinsip Avogadro. Ia mendasari undang-undang D alton tentang campuran gas ideal.
