Kaasujärjestelmien termodynamiikan tutkimuksen pääaihe on termodynaamisten tilojen muutos. Tällaisten muutosten seurauksena kaasu voi tehdä työtä ja varastoida sisäistä energiaa. Tarkastellaanpa alla olevassa artikkelissa erilaisia termodynaamisia siirtymiä ihanteellisessa kaasussa. Erityistä huomiota kiinnitetään isotermisen prosessin kuvaajan tutkimiseen.
Ihanteelliset kaasut
Nimestä päätellen voimme sanoa, että 100 % ihanteellisia kaasuja ei ole luonnossa. Monet todelliset aineet kuitenkin täyttävät tämän käsitteen käytännön tarkkuudella.
Ihanteellinen kaasu on mikä tahansa kaasu, jossa sen hiukkasten ja niiden koon väliset vuorovaikutukset voidaan jättää huomiotta. Molemmat ehdot täyttyvät vain, jos molekyylien kineettinen energia on paljon suurempi kuin niiden välisten sidosten potentiaalienergia ja molekyylien väliset etäisyydet ovat paljon suuremmat kuin hiukkaskoko.
Mikä onJos tutkittava kaasu on ihanteellinen, voit käyttää yksinkertaista nyrkkisääntöä: jos järjestelmän lämpötila on huoneenlämpötilaa korkeampi, paine ei ole kovin erilainen kuin ilmakehän paine tai sitä pienempi, ja molekyylit, jotka muodostavat järjestelmän ovat kemiallisesti inerttejä, niin kaasu on ihanteellinen.
Päälaki
Puhumme ideaalikaasuyhtälöstä, jota kutsutaan myös Clapeyron-Mendeleevin laiksi. Tämän yhtälön kirjoitti muistiin 1800-luvun 30-luvulla ranskalainen insinööri ja fyysikko Emile Clapeyron. Muutama vuosikymmen myöhemmin venäläinen kemisti Mendelejev toi sen nykyaikaiseen muotoonsa. Tämä yhtälö näyttää tältä:
PV=nRT.
Yhtälön vasemmalla puolella on paineen P ja tilavuuden V tulo, yhtälön oikealla puolella lämpötilan T ja aineen määrän n tulo. R on yleinen kaasuvakio. Huomaa, että T on absoluuttinen lämpötila, joka mitataan kelvineinä.
Clapeyron-Mendeleevin laki saatiin ensin aikaisempien kaasulakien tuloksista, eli se perustui yksinomaan kokeelliseen perustaan. Modernin fysiikan ja nesteiden kineettisen teorian kehittyessä ihanteellinen kaasuyhtälö voidaan johtaa ottamalla huomioon järjestelmän hiukkasten mikroskooppinen käyttäytyminen.
Isoterminen prosessi
Riippumatta siitä, tapahtuuko tämä prosessi kaasuissa, nesteissä vai kiinteissä aineissa, sillä on hyvin selkeä määritelmä. Isoterminen siirtymä on siirtymä kahden tilan välillä, jossa järjestelmän lämpötilasäilyy, eli pysyy ennallaan. Siksi isotermisen prosessin kaavio aika-akselilla (x-akseli) - lämpötila (y-akseli) on vaakasuora viiva.
Ihanteellisesta kaasusta voidaan todeta, että sen isotermistä siirtymää kutsutaan Boyle-Mariotten laiksi. Tämä laki löydettiin kokeellisesti. Lisäksi hänestä tuli ensimmäinen tällä alueella (1600-luvun toinen puoli). Sen voi jokainen oppilas saada, jos hän ottaa huomioon kaasun käyttäytymisen suljetussa järjestelmässä (n=const) vakiolämpötilassa (T=const). Tilayhtälön avulla saamme:
nRT=jatkuva=>
PV=vakio
Viimeinen tasa-arvo on Boyle-Mariotten laki. Fysiikan oppikirjoista löytyy myös tämä kirjoitusmuoto:
P1 V1=P2 V 2.
Siirtyessä isotermisestä tilasta 1 termodynaamiseen tilaan 2 tilavuuden ja paineen tulo pysyy vakiona suljetussa kaasujärjestelmässä.
Tutkittu laki puhuu käänteissuhteesta P:n ja V:n arvojen välillä:
P=const / V.
Tämä tarkoittaa, että ihanteellisen kaasun isotermisen prosessin kuvaaja on hyperbolikäyrä. Alla olevassa kuvassa on kolme hyperbolaa.
Jokaista niistä kutsutaan isotermiksi. Mitä korkeampi lämpötila järjestelmässä on, sitä kauempana koordinaattiakseleista isotermi on. Yllä olevasta kuvasta voimme päätellä, että vihreä vastaa järjestelmän korkeinta lämpötilaa ja sininen alinta lämpötilaa edellyttäen, että aineen määrä kaikissa kolmessajärjestelmät ovat samat. Jos kaikki kuvan isotermit on rakennettu samalle lämpötilalle, tämä tarkoittaa, että vihreä käyrä vastaa suurinta järjestelmää aineen määrällä mitattuna.
Sisäisen energian muutos isotermisen prosessin aikana
Ihanteellisten kaasujen fysiikassa sisäenergia ymmärretään kineettiseksi energiaksi, joka liittyy molekyylien pyörivään ja translaatioliikkeeseen. Kineettisestä teoriasta on helppo saada seuraava kaava sisäiselle energialle U:
U=z / 2nRT.
Missä z on molekyylien vapaan liikkuvuuden asteiden lukumäärä. Se vaihtelee 3:sta (monatominen kaasu) 6:een (moniatomiset molekyylit).
Isotermisen prosessin tapauksessa lämpötila pysyy vakiona, mikä tarkoittaa, että ainoa syy sisäisen energian muutokseen on ainehiukkasten poistuminen tai saapuminen järjestelmään. Siten suljetuissa järjestelmissä niiden tilan isotermisen muutoksen aikana sisäinen energia säilyy.
Isobaariset ja isokoriset prosessit
Boyle-Mariotten lain lisäksi on olemassa kaksi muuta kaasun peruslakia, jotka löydettiin myös kokeellisesti. Heillä on ranskalaisten Charlesin ja Gay-Lussacin nimiä. Matemaattisesti ne kirjoitetaan näin:
V / T=const kun P=const;
P / T=const, kun V=const.
Kaarlen laki sanoo, että isobaarisen prosessin aikana (P=const) tilavuus riippuu lineaarisesti absoluuttisesta lämpötilasta. Gay-Lussacin laki osoittaa lineaarisen suhteen paineen ja absoluuttisen lämpötilan välillä isokorisessa lämpötilassasiirtymä (V=jatkuva).
Annetuista yhtälöistä seuraa, että isobaristen ja isokoristen siirtymien kuvaajat poikkeavat merkittävästi isotermisestä prosessista. Jos isotermillä on hyperbelin muoto, isobar ja isokoori ovat suoria viivoja.
Isobaarinen-isoterminen prosessi
Kaasulakeja tarkasteltaessa joskus unohtuu, että T:n, P:n ja V:n arvojen lisäksi Clapeyron-Mendeleevin lain n:n arvo voi myös muuttua. Jos kiinnitämme paineen ja lämpötilan, saamme isobarisen ja isotermisen siirtymän yhtälön:
n / V=vakio, kun T=vakio, P=vakio.
Aineen määrän ja tilavuuden välinen lineaarinen suhde viittaa siihen, että samoissa olosuhteissa eri kaasut, jotka sisältävät saman määrän ainetta, ovat yhtä suuret. Esimerkiksi normaaleissa olosuhteissa (0 oC, 1 atmosfääri) minkä tahansa kaasun moolitilavuus on 22,4 litraa. Tarkasteltua lakia kutsutaan Avogadron periaatteeksi. Se on D altonin ihanteellisten kaasuseosten lain taustalla.
