Fiecare persoană în timpul vieții întâlnește corpuri care se află în una dintre cele trei stări agregate ale materiei. Cea mai simplă stare de agregare de studiat este gazul. În articol, vom lua în considerare conceptul de gaz ideal, vom oferi ecuația de stare a sistemului și, de asemenea, vom acorda atenție descrierii temperaturii absolute.
Starea gazoasă a materiei
Fiecare elev are o idee bună despre ce stare a materiei vorbește atunci când aude cuvântul „gaz”. Acest cuvânt este înțeles ca un corp care este capabil să ocupe orice volum care i se oferă. Nu este capabil să-și păstreze forma, deoarece nu poate rezista nici măcar la cea mai mică influență externă. De asemenea, gazul nu reține volum, ceea ce îl deosebește nu numai de solide, ci și de lichide.
Ca un lichid, un gaz este o substanță fluidă. În procesul de mișcare a corpurilor solide în gaze, acestea din urmă împiedică această mișcare. Forța rezultată se numește rezistență. Valoarea sa depinde deviteza corpului în gaz.
Exemple puternice de gaze sunt aerul, gazul natural folosit pentru încălzirea locuințelor și pentru gătit, gazele inerte (Ne, Ar) folosite pentru a umple tuburile strălucitoare publicitare sau folosite pentru a crea un mediu inert (neagresiv, protector) la sudare..
Gaz ideal
Înainte de a trece la descrierea legilor gazelor și a ecuației de stare, ar trebui să înțelegeți bine întrebarea ce este un gaz ideal. Acest concept este introdus în teoria cinetică moleculară (MKT). Un gaz ideal este orice gaz care îndeplinește următoarele caracteristici:
- Particulele care o formează nu interacționează între ele, cu excepția ciocnirilor mecanice directe.
- Ca urmare a ciocnirii particulelor cu pereții vasului sau între ele, energia cinetică și impulsul acestora sunt conservate, adică ciocnirea este considerată absolut elastică.
- Particulele nu au dimensiuni, dar au o masă finită, adică sunt similare cu punctele materiale.
Este firesc ca orice gaz să nu fie ideal, ci real. Cu toate acestea, pentru rezolvarea multor probleme practice, aceste aproximări sunt destul de valide și pot fi folosite. Există o regulă empirică generală care spune: indiferent de natura chimică, dacă un gaz are o temperatură peste temperatura camerei și o presiune de ordinul atmosferei sau mai mică, atunci poate fi considerat ideal cu mare precizie și poate fi folosit pentru a descrie aceasta.formula ecuației de stare a gazului ideal.
Legea Clapeyron-Mendeleev
Tranzițiile între diferite stări agregate ale materiei și procese într-o singură stare agregată sunt gestionate de termodinamică. Presiunea, temperatura și volumul sunt trei mărimi care definesc în mod unic orice stare a unui sistem termodinamic. Formula pentru ecuația de stare a unui gaz ideal combină toate aceste trei cantități într-o singură egalitate. Să scriem această formulă:
PV=nRT
Aici P, V, T - presiune, volum, respectiv temperatură. Valoarea lui n este cantitatea de substanță în moli, iar simbolul R indică constanta universală a gazelor. Această egalitate arată că, cu cât produsul dintre presiune și volum este mai mare, cu atât trebuie să fie mai mare produsul dintre cantitatea de substanță și temperatură.
Formula pentru ecuația de stare a unui gaz se numește legea Clapeyron-Mendeleev. În 1834, omul de știință francez Emile Clapeyron, rezumând rezultatele experimentale ale predecesorilor săi, a ajuns la această ecuație. Cu toate acestea, Clapeyron a folosit o serie de constante, pe care Mendeleev le-a înlocuit ulterior cu una - constanta universală de gaz R (8, 314 J / (molK)). Prin urmare, în fizica modernă, această ecuație este numită după numele oamenilor de știință francezi și ruși.
Alte forme de ecuație
Mai sus, am scris ecuația de stare Mendeleev-Clapeyron pentru un gaz ideal în general acceptat șiformă convenabilă. Cu toate acestea, în problemele de termodinamică, poate fi adesea necesară o formă ușor diferită. Mai jos sunt scrise alte trei formule, care decurg direct din ecuația scrisă:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Aceste trei ecuații sunt, de asemenea, universale pentru un gaz ideal, doar în ele apar cantități precum masa m, masa molară M, densitatea ρ și numărul de particule N care alcătuiesc sistemul. Simbolul kB denotă aici constanta Boltzmann (1, 3810-23J/K).
Legea Boyle-Mariotte
Când Clapeyron și-a întocmit ecuația, el se baza pe legile gazelor care fuseseră descoperite experimental cu câteva decenii mai devreme. Una dintre ele este legea Boyle-Mariotte. Reflectă un proces izoterm într-un sistem închis, în urma căruia se modifică parametri macroscopici precum presiunea și volumul. Dacă punem T și n constante în ecuația de stare pentru un gaz ideal, atunci legea gazelor va lua forma:
P1V1=P2V 2
Aceasta este legea Boyle-Mariotte, care spune că produsul presiunii și volumului este păstrat în timpul unui proces izoterm arbitrar. În acest caz, valorile P și V se schimbă.
Dacă trasați P(V) sau V(P), atunci izotermele vor fi hiperbole.
Legile lui Charles și Gay-Lussac
Aceste legi descriu matematic izobarul și izocorulprocese, adică astfel de tranziții între stările sistemului de gaze, în care presiunea și respectiv volumul sunt păstrate. Legea lui Charles poate fi scrisă matematic după cum urmează:
V/T=const când n, P=const.
Legea lui Gay-Lussac este scrisă după cum urmează:
P/T=const când n, V=const.
Dacă ambele egalități sunt prezentate sub forma unui grafic, atunci vom obține linii drepte care sunt înclinate la un anumit unghi față de axa x. Acest tip de grafic indică o proporționalitate directă între volum și temperatură la presiune constantă și între presiune și temperatură la volum constant.
Rețineți că toate cele trei legi privind gazele luate în considerare nu țin cont de compoziția chimică a gazului, precum și de modificarea cantității sale de materie.
Temperatura absolută
În viața de zi cu zi, suntem obișnuiți să folosim scala de temperatură Celsius, deoarece este convenabilă pentru a descrie procesele din jurul nostru. Deci, apa fierbe la 100 oC și îngheață la 0 oC. În fizică, această scară se dovedește a fi incomod, prin urmare, se folosește așa-numita scară de temperatură absolută, care a fost introdusă de Lord Kelvin la mijlocul secolului al XIX-lea. În conformitate cu această scală, temperatura este măsurată în Kelvin (K).
Se crede că la o temperatură de -273, 15 oC nu există vibrații termice ale atomilor și moleculelor, mișcarea lor înainte se oprește complet. Această temperatură în grade Celsius corespunde cu zero absolut în Kelvin (0 K). Din aceasta definitiesemnificația fizică a temperaturii absolute urmează: este o măsură a energiei cinetice a particulelor care alcătuiesc materia, de exemplu, atomi sau molecule.
Pe lângă semnificația fizică de mai sus a temperaturii absolute, există și alte abordări pentru înțelegerea acestei cantități. Una dintre ele este legea gazelor menționată a lui Charles. Să-l scriem în următoarea formă:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Ultima egalitate spune că la o anumită cantitate de substanță din sistem (de exemplu, 1 mol) și o anumită presiune (de exemplu, 1 Pa), volumul gazului determină în mod unic temperatura absolută. Cu alte cuvinte, o creștere a volumului de gaz în aceste condiții este posibilă numai datorită creșterii temperaturii, iar o scădere a volumului indică o scădere a valorii lui T.
Reamintim că, spre deosebire de temperatura Celsius, temperatura absolută nu poate fi negativă.
Principiul Avogadro și amestecuri de gaze
Pe lângă legile gazelor de mai sus, ecuația de stare pentru un gaz ideal duce și la principiul descoperit de Amedeo Avogadro la începutul secolului al XIX-lea, care îi poartă numele de familie. Acest principiu stabilește că volumul oricărui gaz la presiune și temperatură constantă este determinat de cantitatea de substanță din sistem. Formula corespunzătoare arată astfel:
n/V=const când P, T=const.
Expresia scrisă duce la bine-cunoscuta în fizica gazelor ideale legea lui D alton pentru amestecurile de gaze. Acestlegea prevede că presiunea parțială a unui gaz dintr-un amestec este determinată în mod unic de fracția sa atomică.
Exemplu de rezolvare a problemelor
Într-un vas închis cu pereți rigizi care conține un gaz ideal, ca urmare a încălzirii, presiunea a crescut de 3 ori. Este necesar să se determine temperatura finală a sistemului dacă valoarea sa inițială a fost de 25 oC.
În primul rând, să convertim temperatura de la grade Celsius la Kelvin, avem:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Deoarece pereții vasului sunt rigizi, procesul de încălzire poate fi considerat izocor. Pentru acest caz, aplicăm legea Gay-Lussac, avem:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Astfel, temperatura finală este determinată din produsul raportului de presiune și temperatura inițială. Înlocuind datele în egalitate, obținem răspunsul: T2=894,45 K. Această temperatură corespunde cu 621,3 oC.
