Mengkaji sifat dan tingkah laku gas ideal adalah kunci untuk memahami fizik kawasan ini secara keseluruhan. Dalam artikel ini, kita akan mempertimbangkan apa yang termasuk dalam konsep gas monatomik yang ideal, apakah persamaan yang menerangkan keadaan dan tenaga dalamannya. Kami juga akan menyelesaikan beberapa masalah mengenai topik ini.
Konsep umum
Setiap pelajar tahu bahawa gas ialah salah satu daripada tiga keadaan agregat jirim, yang, tidak seperti pepejal dan cecair, tidak mengekalkan isipadu. Selain itu, ia juga tidak mengekalkan bentuknya dan sentiasa mengisi volum yang disediakan kepadanya sepenuhnya. Malah, sifat terakhir digunakan pada apa yang dipanggil gas ideal.
Konsep gas ideal berkait rapat dengan teori kinetik molekul (MKT). Selaras dengannya, zarah-zarah sistem gas bergerak secara rawak ke semua arah. Kepantasan mereka mematuhi pengedaran Maxwell. Zarah tidak berinteraksi antara satu sama lain, dan jarakantara mereka jauh melebihi saiz mereka. Jika semua syarat di atas dipenuhi dengan ketepatan tertentu, maka gas boleh dianggap ideal.
Mana-mana media sebenar hampir dalam tingkah laku mereka yang ideal jika mereka mempunyai ketumpatan rendah dan suhu mutlak yang tinggi. Di samping itu, ia mesti terdiri daripada molekul atau atom yang tidak aktif secara kimia. Oleh itu, disebabkan kehadiran interaksi hidrogen yang kuat antara H2 molekul HO, interaksi hidrogen yang kuat tidak dianggap sebagai gas ideal, tetapi udara, yang terdiri daripada molekul bukan kutub, adalah.
undang-undang Clapeyron-Mendeleev
Semasa analisis, dari sudut pandangan MKT, kelakuan gas dalam keseimbangan, persamaan berikut boleh diperolehi, yang mengaitkan parameter termodinamik utama sistem:
PV=nRT.
Di sini tekanan, isipadu dan suhu masing-masing dilambangkan dengan huruf Latin P, V dan T. Nilai n ialah jumlah bahan yang membolehkan anda menentukan bilangan zarah dalam sistem, R ialah pemalar gas, bebas daripada sifat kimia gas. Ia bersamaan dengan 8, 314 J / (Kmol), iaitu, sebarang gas ideal dalam jumlah 1 mol apabila ia dipanaskan sebanyak 1 K, mengembang, melakukan kerja 8, 314 J.
Kesamaan yang direkodkan dipanggil persamaan universal keadaan Clapeyron-Mendeleev. kenapa? Ia dinamakan demikian sebagai penghormatan kepada ahli fizik Perancis Emile Clapeyron, yang pada 30-an abad ke-19, mengkaji undang-undang gas eksperimen yang ditubuhkan sebelum ini, menulisnya dalam bentuk umum. Selepas itu, Dmitri Mendeleev membawanya ke modenbentuk dengan memasukkan pemalar R.
Tenaga dalaman medium monatomik
Gas ideal monatomik berbeza daripada gas poliatomik kerana zarahnya hanya mempunyai tiga darjah kebebasan (gerakan terjemahan di sepanjang tiga paksi ruang). Fakta ini membawa kepada formula berikut untuk purata tenaga kinetik satu atom:
mv2 / 2=3 / 2kB T.
Kelajuan v dipanggil punca min kuasa dua. Jisim atom dan pemalar Boltzmann dilambangkan sebagai m dan kBmasing.
Mengikut takrifan tenaga dalaman, ia adalah jumlah komponen kinetik dan potensi. Mari kita pertimbangkan dengan lebih terperinci. Oleh kerana gas ideal tidak mempunyai tenaga berpotensi, tenaga dalamannya adalah tenaga kinetik. Apakah formulanya? Mengira tenaga semua zarah N dalam sistem, kita memperoleh ungkapan berikut untuk tenaga dalaman U bagi gas monatomik:
U=3 / 2nRT.
Contoh berkaitan
Tugas 1. Gas monatomik yang ideal bergerak dari keadaan 1 ke keadaan 2. Jisim gas itu kekal malar (sistem tertutup). Ia adalah perlu untuk menentukan perubahan dalam tenaga dalaman medium jika peralihan adalah isobarik pada tekanan yang sama dengan satu atmosfera. Delta isipadu kapal gas ialah tiga liter.
Mari kita tulis formula untuk menukar tenaga dalaman U:
ΔU=3 / 2nRΔT.
Menggunakan persamaan Clapeyron-Mendeleev,ungkapan ini boleh ditulis semula sebagai:
ΔU=3 / 2PΔV.
Kami mengetahui tekanan dan perubahan volum daripada keadaan masalah, jadi ia kekal untuk menterjemahkan nilainya ke dalam SI dan menggantikannya ke dalam formula:
ΔU=3 / 21013250.003 ≈ 456 J.
Oleh itu, apabila gas ideal monatomik berpindah dari keadaan 1 ke keadaan 2, tenaga dalamannya meningkat sebanyak 456 J.
Tugas 2. Gas monatomik yang ideal dalam jumlah 2 mol berada di dalam sebuah kapal. Selepas pemanasan isochorik, tenaganya meningkat sebanyak 500 J. Bagaimanakah suhu sistem berubah?
Mari kita tulis formula untuk menukar nilai U semula:
ΔU=3 / 2nRΔT.
Daripadanya adalah mudah untuk menyatakan magnitud perubahan suhu mutlak ΔT, kita ada:
ΔT=2ΔU / (3nR).
Menggantikan data untuk ΔU dan n daripada keadaan, kita mendapat jawapan: ΔT=+20 K.
Adalah penting untuk memahami bahawa semua pengiraan di atas hanya sah untuk gas ideal monoatomik. Jika sistem dibentuk oleh molekul poliatomik, maka formula untuk U tidak lagi betul. Undang-undang Clapeyron-Mendeleev sah untuk mana-mana gas ideal.
