Principalul subiect al studierii termodinamicii sistemelor de gaze este schimbarea stărilor termodinamice. Ca urmare a unor astfel de modificări, gazul poate lucra și poate stoca energie internă. Să studiem în articolul de mai jos diferite tranziții termodinamice într-un gaz ideal. O atenție deosebită va fi acordată studierii graficului procesului izoterm.
Gaze ideale
Judecând chiar după nume, putem spune că gazele ideale 100% nu există în natură. Cu toate acestea, multe substanțe reale satisfac acest concept cu acuratețe practică.
Un gaz ideal este orice gaz în care interacțiunile dintre particulele sale și dimensiunile lor pot fi neglijate. Ambele condiții sunt îndeplinite numai dacă energia cinetică a moleculelor va fi mult mai mare decât energia potențială a legăturilor dintre ele, iar distanțele dintre molecule vor fi mult mai mari decât dimensiunea particulelor.
Pentru a determina care esteDacă gazul studiat este ideal, puteți folosi o regulă simplă: dacă temperatura din sistem este peste temperatura camerei, presiunea nu este foarte diferită de presiunea atmosferică sau mai mică decât aceasta și moleculele care alcătuiesc sistemul. sunt inerți chimic, atunci gazul va fi ideal.
Lege principală
Vorbim despre ecuația gazului ideal, care se mai numește și legea Clapeyron-Mendeleev. Această ecuație a fost scrisă în anii 30 ai secolului al XIX-lea de către inginerul și fizicianul francez Emile Clapeyron. Câteva decenii mai târziu, chimistul rus Mendeleev l-a adus la forma sa modernă. Această ecuație arată astfel:
PV=nRT.
În partea stângă a ecuației este produsul dintre presiunea P și volumul V, în partea dreaptă a ecuației este produsul dintre temperatura T și cantitatea de substanță n. R este constanta universală a gazului. Rețineți că T este temperatura absolută, care este măsurată în Kelvins.
Legea Clapeyron-Mendeleev a fost obținută mai întâi din rezultatele legilor anterioare ale gazelor, adică sa bazat exclusiv pe baza experimentală. Odată cu dezvoltarea fizicii moderne și a teoriei cinetice a fluidelor, ecuația gazului ideal poate fi derivată din luarea în considerare a comportamentului microscopic al particulelor sistemului.
Proces izotermic
Indiferent dacă acest proces are loc în gaze, lichide sau solide, are o definiție foarte clară. O tranziție izotermă este o tranziție între două stări în care temperatura sistemuluipăstrat, adică rămâne neschimbat. Prin urmare, graficul procesului izoterm în axele timpului (axa x) - temperatură (axa y) va fi o linie orizontală.
În ceea ce privește un gaz ideal, observăm că tranziția izotermă a acestuia se numește legea Boyle-Mariotte. Această lege a fost descoperită experimental. Mai mult, a devenit primul din această zonă (a doua jumătate a secolului al XVII-lea). Poate fi obținut de fiecare elev dacă are în vedere comportamentul gazului într-un sistem închis (n=const) la o temperatură constantă (T=const). Folosind ecuația de stare, obținem:
nRT=const=>
PV=const.
Ultima egalitate este legea Boyle-Mariotte. În manualele de fizică, puteți găsi și această formă de scriere:
P1 V1=P2 V 2.
În timpul trecerii de la starea izotermă 1 la starea termodinamică 2, produsul dintre volum și presiune rămâne constant pentru un sistem de gaz închis.
Legea studiată vorbește de proporționalitate inversă între valorile lui P și V:
P=const / V.
Aceasta înseamnă că graficul procesului izoterm dintr-un gaz ideal va fi o curbă de hiperbolă. Trei hiperbole sunt prezentate în figura de mai jos.
Fiecare dintre ele se numește izotermă. Cu cât temperatura în sistem este mai mare, cu atât izoterma va fi mai îndepărtată de axele de coordonate. Din figura de mai sus, putem concluziona că verdele corespunde celei mai ridicate temperaturi din sistem, iar albastrul celei mai scăzute, cu condiția ca cantitatea de substanță din toate cele treisistemele sunt la fel. Dacă toate izotermele din figură sunt construite pentru aceeași temperatură, atunci aceasta înseamnă că curba verde corespunde celui mai mare sistem în ceea ce privește cantitatea de substanță.
Modificarea energiei interne în timpul unui proces izotermic
În fizica gazelor ideale, energia internă este înțeleasă ca energie cinetică asociată cu mișcarea de rotație și translație a moleculelor. Din teoria cinetică este ușor de obținut următoarea formulă pentru energia internă U:
U=z / 2nRT.
Unde z este numărul de grade de mișcare liberă a moleculelor. Acesta variază de la 3 (gaz monoatomic) la 6 (molecule poliatomice).
În cazul unui proces izoterm, temperatura rămâne constantă, ceea ce înseamnă că singurul motiv pentru modificarea energiei interne este ieșirea sau sosirea particulelor de materie în sistem. Astfel, în sistemele închise, în timpul unei schimbări izoterme a stării lor, energia internă se conserva.
Procese izobarice și izocorice
Pe lângă legea Boyle-Mariotte, mai există două legi de bază ale gazelor care au fost descoperite și experimental. Ei poartă numele francezilor Charles și Gay-Lussac. Matematic, ele sunt scrise astfel:
V / T=const când P=const;
P / T=const când V=const.
Legea lui Charles spune că în timpul unui proces izobaric (P=const) volumul depinde liniar de temperatura absolută. Legea lui Gay-Lussac indică o relație liniară între presiune și temperatura absolută la izocortranziție (V=const).
Din egalitățile date rezultă că graficele tranzițiilor izobare și izocorice diferă semnificativ de procesul izoterm. Dacă izoterma are forma unei hiperbole, atunci izobara și izocora sunt linii drepte.
Proces izobar-izotermic
Când luăm în considerare legile gazelor, se uită uneori că, pe lângă valorile lui T, P și V, se poate modifica și valoarea lui n în legea Clapeyron-Mendeleev. Dacă fixăm presiunea și temperatura, atunci obținem ecuația tranziției izobar-izoterme:
n / V=const când T=const, P=const.
Relația liniară dintre cantitatea de substanță și volum sugerează că, în aceleași condiții, gaze diferite care conțin aceeași cantitate de substanță ocupă volume egale. De exemplu, în condiții normale (0 oC, 1 atmosferă), volumul molar al oricărui gaz este de 22,4 litri. Legea considerată se numește principiul lui Avogadro. Ea stă la baza legii lui D alton a amestecurilor de gaze ideale.
