Gas, dari sudut pandangan termodinamik, diterangkan oleh satu set ciri makroskopik, yang utamanya ialah suhu, tekanan dan isipadu. Ketekalan satu daripada parameter ini dan perubahan dalam dua yang lain menunjukkan bahawa satu atau satu lagi isoproses berlaku dalam gas. Kami akan menumpukan artikel ini kepada jawapan terperinci kepada soalan bahawa ini adalah proses isochorik, bagaimana ia berbeza daripada perubahan isoterma dan isobarik dalam keadaan sistem gas.
Gas ideal dalam fizik
Sebelum menjawab soalan bahawa ini adalah proses isochorik, anda harus mengetahui konsep gas ideal dengan lebih baik. Dalam fizik, ia difahami sebagai mana-mana gas di mana tenaga kinetik purata zarah konstituennya jauh melebihi tenaga potensi interaksinya, dan jarak antara zarah ini adalah beberapa susunan magnitud yang lebih besar daripada dimensi linearnya. Di bawah keadaan yang dinyatakan, adalah mungkin, apabila menjalankanpengiraan tidak mengambil kira tenaga interaksi antara zarah (ia bersamaan dengan sifar), dan ia juga boleh diandaikan bahawa zarah adalah titik bahan yang mempunyai jisim tertentu m.
Satu-satunya proses yang berlaku dalam gas ideal ialah perlanggaran zarah dengan dinding kapal yang mengandungi bahan tersebut. Perlanggaran ini menampakkan diri dalam amalan sebagai kewujudan tekanan tertentu dalam gas P.
Sebagai peraturan, mana-mana bahan gas yang terdiri daripada molekul lengai secara kimia dan mempunyai tekanan rendah dan suhu tinggi boleh dianggap sebagai gas ideal dengan ketepatan yang mencukupi untuk pengiraan praktikal.
Persamaan yang menerangkan gas ideal
Sudah tentu, kita bercakap tentang undang-undang universal Clapeyron-Mendeleev, yang harus difahami dengan baik untuk memahami bahawa ini adalah proses isochorik. Jadi, persamaan keadaan universal mempunyai bentuk berikut:
PV=nRT.
Iaitu, hasil darab tekanan P dan isipadu gas V adalah sama dengan hasil darab suhu mutlak T dan jumlah bahan dalam mol n, dengan R ialah faktor kekadaran. Persamaan itu sendiri pertama kali ditulis oleh Emile Clapeyron pada tahun 1834, dan pada tahun 70-an abad ke-19, D. Mendeleev menggantikannya satu set nilai malar bagi pemalar gas universal tunggal R (8.314 J/(molK).)).
Selaras dengan persamaan Clapeyron-Mendeleev, dalam sistem tertutup bilangan zarah gas kekal malar, jadi terdapat hanya tiga parameter makroskopik yang boleh berubah (T, Pdan V). Fakta terakhir ini mendasari pemahaman tentang pelbagai isoproses yang akan dibincangkan di bawah.
Apakah itu proses isokhorik?
Proses ini difahami sepenuhnya sebagai sebarang perubahan dalam keadaan sistem, di mana volumnya dikekalkan.
Jika kita beralih kepada persamaan keadaan sejagat, kita boleh mengatakan bahawa dalam proses isochorik hanya perubahan tekanan dan suhu mutlak dalam gas. Untuk memahami dengan tepat bagaimana parameter termodinamik berubah, kami menulis ungkapan matematik yang sepadan:
P / T=const.
Kadangkala kesaksamaan ini diberikan dalam bentuk yang sedikit berbeza:
P1 / T1=P2 / T 2.
Kedua-dua persamaan dipanggil undang-undang Charles sempena nama seorang saintis Perancis yang pada penghujung abad ke-18 memperoleh pergantungan yang ketara secara eksperimen.
Jika kita membina graf bagi fungsi P(T), maka kita mendapat pergantungan garis lurus, yang dipanggil isochore. Sebarang isokor (untuk semua nilai n dan V) ialah garis lurus.
Penerangan tenaga proses
Seperti yang dinyatakan, proses isochorik ialah perubahan dalam keadaan sistem yang berlaku dalam sistem tertutup tetapi tidak terpencil. Kita bercakap tentang kemungkinan pertukaran haba antara gas dan alam sekitar. Secara umum, sebarang bekalan haba Q kepada sistem membawa kepada dua keputusan:
- menukar tenaga dalaman U;
- gasmelakukan kerja A, mengembangkan atau menguncup.
Inferens terakhir ditulis secara matematik seperti berikut:
Q=U + A.
Proses isochorik bagi gas ideal, mengikut definisinya, tidak membayangkan kerja yang dilakukan oleh gas, kerana isipadunya kekal tidak berubah. Ini bermakna semua haba yang dibekalkan kepada sistem pergi untuk meningkatkan tenaga dalamannya:
Q=U.
Jika kita menggantikan formula eksplisit untuk tenaga dalaman ke dalam ungkapan ini, maka haba proses isochorik boleh diwakili sebagai:
Q=z / 2nRT.
Di sini z ialah bilangan darjah kebebasan, yang ditentukan oleh sifat poliatomik molekul yang membentuk gas. Untuk gas monatomik, z=3, untuk gas diatomik - 5, dan untuk triatomik dan lebih - 6. Di sini, di bawah darjah kebebasan, kami maksudkan darjah translasi dan putaran.
Jika kita membandingkan kecekapan pemanasan sistem gas dalam proses isochoric dan isobaric, maka dalam kes pertama kita akan mendapat kecekapan maksimum, kerana semasa perubahan isobaric dalam keadaan sistem, gas mengembang, dan sebahagian daripada input haba dibelanjakan untuk melakukan kerja.
Proses isobarik
Di atas kami telah menerangkan secara terperinci bahawa ini adalah proses isochorik. Sekarang mari kita sebutkan beberapa perkataan tentang isoproses lain. Mari kita mulakan dengan isobaric. Berdasarkan namanya, ia difahami sebagai peralihan sistem antara keadaan pada tekanan malar. Proses ini diterangkan oleh undang-undang Gay-Lussac seperti berikut:
V / T=const.
Seperti isokor, isobar V(T) juga mewakili garis lurus pada graf.
Untukmana-mana proses isobarik, adalah mudah untuk mengira kerja yang dilakukan oleh gas, kerana ia adalah sama dengan hasil darab tekanan malar dan perubahan isipadu.
Proses Isoterma
Ini ialah proses di mana suhu sistem kekal malar. Ia diterangkan oleh undang-undang Boyle-Mariotte untuk gas ideal. Adalah pelik untuk diperhatikan bahawa ini adalah undang-undang gas pertama yang ditemui secara eksperimen (separuh kedua abad ke-17). Notasi matematiknya kelihatan seperti ini:
PV=const.
Proses isochorik dan isoterma berbeza dari segi perwakilan grafiknya, kerana fungsi P(V) ialah hiperbolik, bukan hubungan linear.
Contoh penyelesaian masalah
Mari kita satukan maklumat teori yang disediakan dalam artikel dengan aplikasi mereka untuk menyelesaikan masalah praktikal. Adalah diketahui bahawa nitrogen gas tulen berada dalam silinder pada tekanan 1 atmosfera dan suhu 25 °C. Selepas silinder gas dipanaskan dan tekanan di dalamnya diukur, ia ternyata menjadi 1.5 atmosfera. Berapakah suhu gas di dalam silinder selepas dipanaskan? Berapakah jumlah tenaga dalaman gas berubah jika terdapat 4 mol nitrogen dalam belon.
Untuk menjawab soalan pertama, kami menggunakan ungkapan berikut:
P1 / T1=P2 / T 2.
Dari mana kami mendapat:
T2=P2 / P1 T 1.
Dalam ungkapan ini, tekanan boleh digantikan dalam unit arbitrariukuran, kerana ia mengecut, dan suhu hanya dalam kelvin. Dengan itu, kami mendapat:
T2=1.5 /1298.15=447.224 K.
Suhu yang dikira dalam darjah Celsius ialah 174 °C.
Memandangkan molekul nitrogen adalah diatomik, perubahan tenaga dalamannya semasa pemanasan boleh ditentukan seperti berikut:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Menggantikan nilai yang diketahui ke dalam ungkapan ini, kita akan mendapat jawapan kepada soalan kedua masalah: ΔU=+12.4 kJ.
