Ideaalikaasu, ideaalikaasun tilayhtälö, sen lämpötila ja paine, tilavuus… vastaavassa fysiikan osiossa käytettyjen parametrien ja määritelmien listaa voidaan jatkaa melko pitkään. Tänään puhumme vain tästä aiheesta.
Mitä molekyylifysiikassa pidetään?
Tässä osiossa tarkasteltu pääkohde on ihanteellinen kaasu. Ihanteellinen kaasutilayhtälö saatiin ottamalla huomioon normaalit ympäristöolosuhteet, ja puhumme tästä hieman myöhemmin. Nyt lähestytään tätä "ongelmaa" kaukaa.
Oletetaan, että meillä on jonkin verran kaasumassaa. Sen tila voidaan määrittää käyttämällä kolmea termodynaamista parametria. Nämä ovat tietysti paine, tilavuus ja lämpötila. Järjestelmän tilan yhtälö on tässä tapauksessa kaava vastaavien parametrien väliselle suhteelle. Se näyttää tältä: F (p, V, T)=0.
Tässä ensimmäistä kertaa lähestymme pikkuhiljaa sellaisen asian kuin ihanne syntyäkaasua. Sitä kutsutaan kaasuksi, jossa molekyylien väliset vuorovaikutukset ovat merkityksettömiä. Yleensä tällaista ei ole luonnossa. Kuitenkin mikä tahansa erittäin harvinainen kaasu on lähellä sitä. Typpi, happi ja ilma, jotka ovat normaaleissa olosuhteissa, poikkeavat vain vähän ihanteesta. Kirjoittaaksemme ihanteellisen kaasun tilayhtälön, voimme käyttää yhtenäistä kaasulakia. Saamme: pV/T=vakio
Aiheeseen liittyvä käsite 1: Avogadron laki
Hän voi kertoa meille, että jos otamme saman määrän moolia täysin mitä tahansa satunnaista kaasua ja asetamme ne samoihin olosuhteisiin, mukaan lukien lämpötila ja paine, niin kaasut vievät saman tilavuuden. Erityisesti koe suoritettiin normaaleissa olosuhteissa. Tämä tarkoittaa, että lämpötila oli 273,15 Kelviniä, paine oli yksi ilmakehä (760 elohopeamillimetriä eli 101325 Pascalia). Näillä parametreilla kaasun tilavuus oli 22,4 litraa. Siksi voimme sanoa, että yhdelle moolille mitä tahansa kaasua numeeristen parametrien suhde on vakioarvo. Siksi tämä luku päätettiin nimetä kirjaimella R ja kutsua sitä yleiskaasuvakioksi. Siten se on 8,31. Yksikkö on J/molK.
Ihanteellinen kaasu. Ideaalikaasun tilayhtälö ja sen käsittely
Yritetään kirjoittaa kaava uudelleen. Tätä varten kirjoitamme sen tässä muodossa: pV=RT. Seuraavaksi suoritamme yksinkertaisen toiminnon, kerromme yhtälön molemmat puolet mieliv altaisella määrällä moolia. Saamme pVu=uRT. Otetaan huomioon se tosiasia, että molaarisen tilavuuden tulo jaaineen määrä on yksinkertaisesti tilavuus. Mutta loppujen lopuksi moolien lukumäärä on samanaikaisesti yhtä suuri kuin massan ja moolimassan osamäärä. Juuri tältä Mendeleev-Clapeyron-yhtälö näyttää. Se antaa selkeän kuvan siitä, millaisen järjestelmän ihanteellinen kaasu muodostaa. Ihanteellisen kaasun tilayhtälö saa muotoa: pV=mRT/M.
Johda paineen kaava
Tehdään vielä joitain manipulaatioita saatujen lausekkeiden kanssa. Tätä varten Mendeleev-Clapeyron-yhtälön oikea puoli kerrotaan ja jaetaan Avogadron luvulla. Nyt tarkastelemme huolellisesti aineen määrän tuloa Avogadro-luvulla. Tämä ei ole muuta kuin kaasussa olevien molekyylien kokonaismäärä. Mutta samaan aikaan yleisen kaasuvakion suhde Avogadron lukuun on yhtä suuri kuin Boltzmannin vakio. Siksi paineen kaavat voidaan kirjoittaa seuraavasti: p=NkT/V tai p=nkT. Tässä symboli n on hiukkaspitoisuus.
Ihanteellinen kaasuprosessi
Molekyylifysiikassa on sellainen asia kuin isoprosessit. Nämä ovat termodynaamisia prosesseja, jotka tapahtuvat järjestelmässä jollakin vakioparametrilla. Tällöin aineen massan on myös pysyttävä vakiona. Katsotaanpa niitä tarkemmin. Eli ihanteellisen kaasun lait.
Paine pysyy vakiona
Tämä on Gay-Lussacin laki. Se näyttää tältä: V/T=vakio. Se voidaan kirjoittaa uudelleen toisella tavalla: V=Vo (1 + at). Tässä a on yhtä suuri kuin 1/273,15 K^-1 ja sitä kutsutaan "tilavuuden laajennuskertoimeksi". Voimme korvata lämpötilan sekä Celsius- ettäKelvinin asteikko. Jälkimmäisessä tapauksessa saamme kaavan V=Voat.
Äänenvoimakkuus pysyy vakiona
Tämä on Gay-Lussacin toinen laki, jota kutsutaan yleisemmin Charlesin laiksi. Se näyttää tältä: p/T=const. On olemassa toinen muotoilu: p=po (1 + at). Muunnokset voidaan suorittaa edellisen esimerkin mukaisesti. Kuten näette, ideaalikaasun lait ovat joskus melko samank altaisia.
Lämpötila pysyy vakiona
Jos ihanteellisen kaasun lämpötila pysyy vakiona, voimme saada Boyle-Mariotten lain. Se voidaan kirjoittaa näin: pV=const.
Aiheeseen liittyvä käsite 2: Osittainen paine
Oletetaan, että meillä on kaasusäiliö. Siitä tulee seos. Järjestelmä on lämpötasapainotilassa, eivätkä kaasut itse reagoi keskenään. Tässä N tarkoittaa molekyylien kokonaismäärää. N1, N2 ja niin edelleen, vastaavasti, molekyylien lukumäärä kussakin seoksen komponentissa. Otetaan painekaava p=nkT=NkT/V. Se voidaan avata tiettyä tapausta varten. Kaksikomponenttiselle seokselle kaava on muotoa: p=(N1 + N2) kT/V. Mutta sitten käy ilmi, että kokonaispaine lasketaan yhteen kunkin seoksen osapaineista. Joten se näyttää tältä p1 + p2 ja niin edelleen. Nämä ovat osapaineet.
Mihin se on tarkoitettu?
Saamamme kaava osoittaa, että järjestelmän paine on jokaisesta molekyyliryhmästä. Muuten, se ei ole riippuvainenmuut. D alton käytti tätä hyväkseen muotoillessaan myöhemmin hänen mukaansa nimettyä lakia: seoksessa, jossa kaasut eivät reagoi kemiallisesti toistensa kanssa, kokonaispaine on yhtä suuri kuin osapaineiden summa.
