Starea gazoasă a materiei din jurul nostru este una dintre cele trei forme comune de materie. În fizică, această stare fluidă de agregare este de obicei considerată în aproximarea unui gaz ideal. Folosind această aproximare, descriem în articol posibilele izoprocese în gaze.
Gazul ideal și ecuația universală pentru a-l descrie
Un gaz ideal este unul ale cărui particule nu au dimensiuni și nu interacționează între ele. Evident, nu există un singur gaz care să îndeplinească exact aceste condiții, deoarece chiar și cel mai mic atom - hidrogenul, are o anumită dimensiune. Mai mult, chiar și între atomii neutri de gaz nobil, există o interacțiune slabă van der Waals. Atunci apare întrebarea: în ce cazuri pot fi neglijate dimensiunea particulelor de gaz și interacțiunea dintre ele? Răspunsul la această întrebare va fi respectarea următoarelor condiții fizico-chimice:
- presiune joasă (aproximativ 1 atmosferă și mai jos);
- temperaturi ridicate (în jurul temperaturii camerei și peste);
- inerția chimică a moleculelor și atomilorgaz.
Dacă cel puțin una dintre condiții nu este îndeplinită, atunci gazul ar trebui considerat real și descris printr-o ecuație specială van der Waals.
Ecuația Mendeleev-Clapeyron trebuie luată în considerare înainte de a studia izoprocesele. Ecuația gazului ideal este al doilea nume. Are următoarea notație:
PV=nRT
Adică leagă trei parametri termodinamici: presiunea P, temperatura T și volumul V, precum și cantitatea n de substanță. Simbolul R denotă aici constanta gazului, este egal cu 8,314 J / (Kmol).
Ce sunt izoprocesele în gaze?
Aceste procese sunt înțelese ca tranziții între două stări diferite ale gazului (inițială și finală), în urma cărora unele cantități se păstrează, iar altele se modifică. Există trei tipuri de izoprocese în gaze:
- izotermă;
- izobar;
- izochoric.
Este important de menționat că toate au fost studiate și descrise experimental în perioada dintre a doua jumătate a secolului al XVII-lea până în anii 30 ai secolului al XIX-lea. Pe baza acestor rezultate experimentale, Émile Clapeyron a derivat în 1834 o ecuație care este universală pentru gaze. Acest articol este construit invers - aplicând ecuația de stare, obținem formule pentru izoprocesele în gaze ideale.
Tranziție la temperatură constantă
Se numește proces izotermic. Din ecuația de stare a unui gaz ideal rezultă că la o temperatură absolută constantă într-un sistem închis, produsul trebuie să rămână constantvolum la presiune, adică:
PV=const
Această relație a fost într-adevăr observată de Robert Boyle și Edm Mariotte în a doua jumătate a secolului al XVII-lea, așa că egalitatea înregistrată în prezent poartă numele lor.
Dependențele funcționale P(V) sau V(P), exprimate grafic, arată ca hiperbolele. Cu cât este mai mare temperatura la care se efectuează experimentul izotermic, cu atât produsul PV este mai mare.
Într-un proces izoterm, un gaz se extinde sau se contractă, lucrând fără a-și schimba energia internă.
Tranziție la presiune constantă
Acum să studiem procesul izobaric, în timpul căruia presiunea este menținută constantă. Un exemplu de astfel de tranziție este încălzirea gazului sub piston. Ca urmare a încălzirii, energia cinetică a particulelor crește, acestea încep să lovească pistonul mai des și cu o forță mai mare, în urma căreia gazul se extinde. În procesul de expansiune, gazul efectuează unele lucrări, a căror eficiență este de 40% (pentru un gaz monoatomic).
Pentru acest izoproces, ecuația de stare pentru un gaz ideal spune că următoarea relație trebuie să fie valabilă:
V/T=const
Este ușor de obținut dacă presiunea constantă este transferată în partea dreaptă a ecuației Clapeyron, iar temperatura - în stânga. Această egalitate se numește legea lui Charles.
Egalitatea indică faptul că funcțiile V(T) și T(V) arată ca linii drepte pe grafice. Panta dreptei V(T) în raport cu abscisa va fi cu atât mai mică, cu atât presiunea este mai mareP.
Tranziție la volum constant
Ultimul izoproces în gaze, pe care îl vom lua în considerare în articol, este tranziția izocoră. Folosind ecuația universală Clapeyron, este ușor să obțineți următoarea egalitate pentru această tranziție:
P/T=const
Tranziția izocoră este descrisă de legea Gay-Lussac. Se poate observa că grafic funcțiile P(T) și T(P) vor fi drepte. Dintre toate cele trei procese izocorice, izocorul este cel mai eficient dacă este necesară creșterea temperaturii sistemului datorită furnizării de căldură externă. În timpul acestui proces, gazul nu funcționează, adică toată căldura va fi direcționată pentru a crește energia internă a sistemului.
