Studiarea proprietăților și comportamentului unui gaz ideal este cheia înțelegerii fizicii acestei zone în ansamblu. În acest articol, vom lua în considerare ce include conceptul de gaz monoatomic ideal, ce ecuații descriu starea acestuia și energia internă. Vom rezolva și câteva probleme pe această temă.
Concept general
Fiecare elev știe că gazul este una dintre cele trei stări agregate ale materiei, care, spre deosebire de solid și lichid, nu păstrează volumul. În plus, nu își păstrează forma și umple întotdeauna complet volumul care i se oferă. De fapt, ultima proprietate se aplică așa-numitelor gaze ideale.
Conceptul de gaz ideal este strâns legat de teoria cinetică moleculară (MKT). În conformitate cu acesta, particulele sistemului de gaz se mișcă aleatoriu în toate direcțiile. Vitezele lor respectă distribuția Maxwell. Particulele nu interacționează între ele, iar distanțeleîntre ele depășesc cu mult dimensiunea lor. Dacă toate condițiile de mai sus sunt îndeplinite cu o anumită precizie, atunci gazul poate fi considerat ideal.
Orice media reală se apropie de comportamentul ideal dacă are densități scăzute și temperaturi absolute ridicate. În plus, ele trebuie să fie compuse din molecule sau atomi inactivi chimic. Deci, datorită prezenței interacțiunilor puternice cu hidrogen între moleculele H2 HO, interacțiunile puternice cu hidrogen nu sunt considerate un gaz ideal, dar aerul, format din molecule nepolare, este.
Legea Clapeyron-Mendeleev
În timpul analizei, din punctul de vedere al MKT-ului, comportamentul unui gaz în echilibru, se poate obține următoarea ecuație, care raportează principalii parametri termodinamici ai sistemului:
PV=nRT.
Aici presiunea, volumul și temperatura sunt notate cu literele latine P, V și respectiv T. Valoarea lui n este cantitatea de substanță care vă permite să determinați numărul de particule din sistem, R este constanta gazului, independent de natura chimică a gazului. Este egal cu 8, 314 J / (Kmol), adică orice gaz ideal în cantitate de 1 mol când este încălzit cu 1 K, în expansiune, face munca lui 8, 314 J.
Egalitatea înregistrată se numește ecuația universală de stare a lui Clapeyron-Mendeleev. De ce? Este numit astfel în onoarea fizicianului francez Emile Clapeyron, care în anii 30 ai secolului al XIX-lea, studiind legile experimentale ale gazelor stabilite anterior, l-a notat în formă generală. Ulterior, Dmitri Mendeleev l-a condus la modernformular prin introducerea constantei R.
Energia internă a unui mediu monoatomic
Un gaz ideal monoatomic diferă de unul poliatomic prin faptul că particulele sale au doar trei grade de libertate (mișcare de translație de-a lungul celor trei axe ale spațiului). Acest fapt duce la următoarea formulă pentru energia cinetică medie a unui atom:
mv2 / 2=3 / 2kB T.
Viteza v se numește pătrat mediu. Masa unui atom și constanta Boltzmann sunt notate cu m și kB, respectiv.
Conform definiției energiei interne, este suma componentelor cinetice și potențiale. Să luăm în considerare mai detaliat. Deoarece un gaz ideal nu are energie potențială, energia sa internă este energie cinetică. Care este formula sa? Calculând energia tuturor particulelor N din sistem, obținem următoarea expresie pentru energia internă U a unui gaz monoatomic:
U=3 / 2nRT.
Exemple similare
Sarcina 1. Un gaz monoatomic ideal trece din starea 1 în starea 2. Masa gazului rămâne constantă (sistem închis). Este necesar să se determine modificarea energiei interne a mediului dacă tranziția este izobară la o presiune egală cu o atmosferă. Delta de volum a vasului de gaz a fost de trei litri.
Să scriem formula pentru schimbarea energiei interne U:
ΔU=3 / 2nRΔT.
Folosind ecuația Clapeyron-Mendeleev,această expresie poate fi rescrisă ca:
ΔU=3 / 2PΔV.
Cunoaștem presiunea și modificarea volumului din starea problemei, așa că rămâne să traducem valorile lor în SI și să le înlocuim în formula:
ΔU=3 / 21013250,003 ≈ 456 J.
Astfel, atunci când un gaz ideal monoatomic trece din starea 1 în starea 2, energia sa internă crește cu 456 J.
Sarcina 2. Într-un vas se afla un gaz monoatomic ideal în cantitate de 2 moli. După încălzirea izocoră, energia sa a crescut cu 500 J. Cum s-a schimbat temperatura sistemului?
Să scriem formula pentru schimbarea din nou a valorii lui U:
ΔU=3 / 2nRΔT.
Din aceasta este ușor de exprimat magnitudinea schimbării temperaturii absolute ΔT, avem:
ΔT=2ΔU / (3nR).
Înlocuind datele pentru ΔU și n din condiție, obținem răspunsul: ΔT=+20 K.
Este important să înțelegeți că toate calculele de mai sus sunt valabile numai pentru un gaz ideal monoatomic. Dacă sistemul este format din molecule poliatomice, atunci formula pentru U nu va mai fi corectă. Legea Clapeyron-Mendeleev este valabilă pentru orice gaz ideal.
