Gaasisüsteemide termodünaamika uurimise põhiteema on termodünaamiliste olekute muutumine. Selliste muutuste tulemusena saab gaas teha tööd ja salvestada sisemist energiat. Uurime allolevas artiklis erinevaid termodünaamilisi üleminekuid ideaalses gaasis. Erilist tähelepanu pööratakse isotermilise protsessi graafiku uurimisele.
Ideaalsed gaasid
Juba nime järgi otsustades võib öelda, et 100% ideaalseid gaase looduses ei eksisteeri. Paljud pärisained vastavad sellele kontseptsioonile siiski praktilise täpsusega.
Ideaalne gaas on iga gaas, mille osakeste ja nende suuruste vastastikmõju võib tähelepanuta jätta. Mõlemad tingimused on täidetud ainult siis, kui molekulide kineetiline energia on palju suurem kui nendevaheliste sidemete potentsiaalne energia ja molekulide vahelised kaugused on palju suuremad kui osakeste suurus.
Et määrata, milline onKui uuritav gaas on ideaalne, võite kasutada lihtsat rusikareeglit: kui temperatuur süsteemis on toatemperatuurist kõrgem, ei erine rõhk väga palju atmosfäärirõhust või sellest väiksem ja molekulid, millest süsteem koosneb. on keemiliselt inertsed, siis on gaas ideaalne.
Põhiseadus
Me räägime ideaalse gaasi võrrandist, mida nimetatakse ka Clapeyroni-Mendelejevi seaduseks. Selle võrrandi kirjutas üles XIX sajandi 30ndatel prantsuse insener ja füüsik Emile Clapeyron. Paar aastakümmet hiljem viis vene keemik Mendelejev selle kaasaegsele kujule. See võrrand näeb välja selline:
PV=nRT.
Vorrandi vasakul küljel on rõhu P ja ruumala V korrutis, võrrandi paremal küljel on temperatuuri T ja aine koguse n korrutis. R on universaalne gaasikonstant. Pange tähele, et T on absoluutne temperatuur, mida mõõdetakse kelvinites.
Clapeyroni-Mendelejevi seadus saadi esm alt eelmiste gaasiseaduste tulemustest, see tähendab, et see põhines ainult katsealusel. Kaasaegse füüsika ja vedelike kineetilise teooria arenedes saab ideaalse gaasi võrrandi tuletada, võttes arvesse süsteemi osakeste mikroskoopilist käitumist.
Isotermiline protsess
Sõltumata sellest, kas see protsess toimub gaasides, vedelikes või tahketes ainetes, on sellel väga selge määratlus. Isotermiline üleminek on üleminek kahe oleku vahel, milles süsteemi temperatuursäilinud, see tähendab, jääb muutumatuks. Seetõttu on isotermilise protsessi graafik aja (x-telg) - temperatuuri (y-telg) telgedel horisontaaljoon.
Ideaalse gaasi puhul märgime, et selle isotermilist üleminekut nimetatakse Boyle'i-Mariotte seaduseks. See seadus avastati eksperimentaalselt. Veelgi enam, temast sai sellel alal esimene (17. sajandi teine pool). Selle saab iga õpilane, kui ta võtab arvesse gaasi käitumist suletud süsteemis (n=const) konstantsel temperatuuril (T=const). Olekuvõrrandit kasutades saame:
nRT=const=>
PV=konst.
Viimane võrdsus on Boyle'i-Mariotte'i seadus. Füüsikaõpikutest leiate ka selle kirjutamise vormi:
P1 V1=P2 V 2.
Üleminekul isotermilisest olekust 1 termodünaamilisele olekule 2 jääb ruumala ja rõhu korrutis suletud gaasisüsteemis konstantseks.
Uuritud seadus räägib pöördvõrdelisest proportsionaalsusest P ja V väärtuste vahel:
P=const / V.
See tähendab, et ideaalgaasi isotermilise protsessi graafik on hüperboolkõver. Alloleval joonisel on näidatud kolm hüperbooli.
Igaüht neist nimetatakse isotermiks. Mida kõrgem on temperatuur süsteemis, seda kaugemal on isoterm koordinaattelgedest. Ül altoodud jooniselt võime järeldada, et roheline vastab süsteemi kõrgeimale temperatuurile ja sinine madalaimale, tingimusel et aine kogus kõigis kolmessüsteemid on samad. Kui kõik joonisel olevad isotermid on ehitatud samale temperatuurile, siis tähendab see, et roheline kõver vastab ainekoguse poolest suurimale süsteemile.
Siseenergia muutus isotermilise protsessi käigus
Ideaalsete gaaside füüsikas mõistetakse siseenergia all kineetilist energiat, mis on seotud molekulide pöörleva ja translatsioonilise liikumisega. Kineetilisest teooriast on lihtne saada järgmine siseenergia U valem:
U=z / 2nRT.
Kus z on molekulide vaba liikumise astmete arv. See on vahemikus 3 (monaatomiline gaas) kuni 6 (polüatomaalsed molekulid).
Isotermilise protsessi korral jääb temperatuur konstantseks, mis tähendab, et siseenergia muutumise ainsaks põhjuseks on aineosakeste väljumine või saabumine süsteemi. Seega säilib suletud süsteemides nende oleku isotermilise muutumise ajal siseenergia.
Isobaarilised ja isohoorilised protsessid
Lisaks Boyle'i-Mariotte'i seadusele on veel kaks peamist gaasiseadust, mis avastati samuti katseliselt. Nad kannavad prantslaste Charlesi ja Gay-Lussaci nimesid. Matemaatiliselt on need kirjutatud järgmiselt:
V / T=const, kui P=const;
P / T=const, kui V=konst.
Charles'i seadus ütleb, et isobaarilise protsessi käigus (P=const) sõltub ruumala lineaarselt absoluutsest temperatuurist. Gay-Lussaci seadus näitab lineaarset seost isohoorilise rõhu ja absoluutse temperatuuri vahelüleminek (V=konst).
Antud võrranditest järeldub, et isobaariliste ja isohooriliste üleminekute graafikud erinevad oluliselt isotermilisest protsessist. Kui isotermil on hüperbooli kuju, siis isobaar ja isokoor on sirged.
Isobaar-isotermiline protsess
Gaasiseadusi silmas pidades unustatakse vahel, et lisaks T, P ja V väärtustele võib muutuda ka n väärtus Clapeyroni-Mendelejevi seaduses. Kui fikseerime rõhu ja temperatuuri, saame isobaar-isotermilise ülemineku võrrandi:
n / V=konst, kui T=konst, P=konst.
Lineaarne seos aine koguse ja mahu vahel viitab sellele, et samades tingimustes hõivavad erinevad gaasid, mis sisaldavad sama kogust ainet, võrdse mahu. Näiteks tavatingimustes (0 oC, 1 atmosfäär) on iga gaasi molaarmaht 22,4 liitrit. Vaadeldavat seadust nimetatakse Avogadro põhimõtteks. See on D altoni ideaalsete gaasisegude seaduse aluseks.
