Meid ümbritseva aine gaasiline olek on üks kolmest tavalisest ainevormist. Füüsikas peetakse seda vedelat agregatsiooni olekut tavaliselt ideaalse gaasi lähendamiseks. Seda lähendust kasutades kirjeldame artiklis võimalikke isoprotsesse gaasides.
Ideaalne gaas ja universaalne võrrand selle kirjeldamiseks
Ideaalne gaas on gaas, mille osakestel ei ole mõõtmeid ja need ei interakteeru üksteisega. Ilmselgelt pole ühtegi gaasi, mis nendele tingimustele täpselt vastaks, kuna isegi väikseimal aatomil - vesinikul - on teatud suurus. Veelgi enam, isegi neutraalsete väärisgaasi aatomite vahel on nõrk van der Waalsi interaktsioon. Siis tekib küsimus: millistel juhtudel võib gaasiosakeste suurust ja nendevahelist vastasmõju tähelepanuta jätta? Vastus sellele küsimusele on järgmiste füüsikalis-keemiliste tingimuste järgimine:
- madal rõhk (umbes 1 atmosfäär ja alla selle);
- kõrged temperatuurid (umbes toatemperatuur ja üle selle);
- molekulide ja aatomite keemiline inertsusgaas.
Kui vähem alt üks tingimus ei ole täidetud, tuleb gaasi pidada tõeliseks ja seda kirjeldada spetsiaalse van der Waalsi võrrandiga.
Enne isoprotsesside uurimist tuleb arvestada Mendelejevi-Clapeyroni võrrandiga. Ideaalse gaasi võrrand on selle teine nimi. Sellel on järgmine märge:
PV=nRT
See tähendab, et see seob kolm termodünaamilist parameetrit: rõhk P, temperatuur T ja maht V, samuti aine kogus n. Sümbol R tähistab siin gaasikonstanti, see võrdub 8,314 J / (Kmol).
Mis on isoprotsessid gaasides?
Nende protsesside all mõistetakse üleminekuid gaasi kahe erineva oleku (alg- ja lõpp-) vahel, mille tulemusena osad kogused säilivad ja teised muutuvad. Gaasides on kolme tüüpi isoprotsesse:
- isotermiline;
- isobaric;
- isokooriline.
Oluline on märkida, et kõiki neid uuriti ja kirjeldati eksperimentaalselt ajavahemikul 17. sajandi teisest poolest kuni 19. sajandi 30. aastateni. Nende katsetulemuste põhjal tuletas Émile Clapeyron 1834. aastal gaaside jaoks universaalse võrrandi. See artikkel on üles ehitatud vastupidi – olekuvõrrandi rakendamisel saame ideaalgaasides toimuvate isoprotsesside valemid.
Üleminek konstantsel temperatuuril
Seda nimetatakse isotermiliseks protsessiks. Ideaalse gaasi olekuvõrrandist järeldub, et konstantsel absoluutsel temperatuuril suletud süsteemis peab korrutis jääma konstantseksmaht kuni rõhuni, st:
PV=const
Seda suhet jälgisid tõepoolest Robert Boyle ja Edm Mariotte 17. sajandi teisel poolel, nii et praegu registreeritud võrdsus kannab nende nimesid.
Graafiliselt väljendatud funktsionaalsed sõltuvused P(V) või V(P) näevad välja nagu hüperboolid. Mida kõrgemal temperatuuril isotermiline katse läbi viiakse, seda suurem on korrutis PV.
Isotermilise protsessi käigus gaas paisub või tõmbub kokku, tehes tööd oma siseenergiat muutmata.
Üleminek konstantsel rõhul
Nüüd uurime isobaarilist protsessi, mille käigus hoitakse rõhk konstantsena. Sellise ülemineku näide on gaasi kuumutamine kolvi all. Kuumutamise tulemusena suureneb osakeste kineetiline energia, nad hakkavad sagedamini ja suurema jõuga vastu kolbi lööma, mille tulemusena gaas paisub. Paisumise käigus teeb gaas teatud tööd, mille efektiivsus on 40% (monatoomilise gaasi puhul).
Selle isoprotsessi jaoks ütleb ideaalse gaasi olekuvõrrand, et kehtima peab järgmine seos:
V/T=const
Seda on lihtne saada, kui konstantne rõhk kantakse üle Clapeyroni võrrandi paremale poolele ja temperatuur vasakule. Seda võrdsust nimetatakse Charlesi seaduseks.
Võrdsus näitab, et funktsioonid V(T) ja T(V) näevad graafikutel välja nagu sirged. Sirge V(T) kalle abstsissi suhtes on seda väiksem, seda suurem on rõhkP.
Üleminek konstantsel helitugevusel
Viimane isoprotsess gaasides, mida me artiklis käsitleme, on isohooriline üleminek. Universaalset Clapeyroni võrrandit kasutades on selle ülemineku jaoks lihtne saada järgmine võrdsus:
P/T=const
Isohoorilist üleminekut kirjeldab Gay-Lussaci seadus. On näha, et graafiliselt on funktsioonid P(T) ja T(P) sirged. Kõigist kolmest isohoorilisest protsessist on isohooriline kõige tõhusam, kui välissoojuse tarnimise tõttu on vaja süsteemi temperatuuri tõsta. Selle protsessi käigus gaas ei tööta, see tähendab, et kogu soojus suunatakse süsteemi siseenergia suurendamiseks.
