Ympärillämme olevan aineen kaasumainen tila on yksi kolmesta yleisimmästä aineen muodosta. Fysiikassa tätä nestemäistä aggregaatiotilaa tarkastellaan yleensä ihanteellisen kaasun approksimaatiossa. Tällä approksimaatiolla kuvataan artikkelissa mahdollisia isoprosesseja kaasuissa.
Ihanteellinen kaasu ja sen kuvaava yleinen yhtälö
Ihanteellinen kaasu on sellainen, jonka hiukkasilla ei ole mittoja ja jotka eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Ilmeisesti ei ole yhtä kaasua, joka täsmälleen täyttäisi nämä ehdot, koska pienimmälläkin atomilla - vedyllä - on tietty koko. Lisäksi jopa neutraalien jalokaasuatomien välillä on heikko van der Waalsin vuorovaikutus. Sitten herää kysymys: missä tapauksissa kaasuhiukkasten koko ja niiden välinen vuorovaikutus voidaan jättää huomiotta? Vastaus tähän kysymykseen on seuraavien fysikaalis-kemiallisten olosuhteiden noudattaminen:
- matala paine (noin 1 ilmakehä ja alle);
- korkeat lämpötilat (noin huoneenlämpöiset ja korkeammat);
- molekyylien ja atomien kemiallinen inertisyyskaasu.
Jos ainakin yksi ehdoista ei täyty, kaasua on pidettävä todellisena ja kuvattava erityisellä van der Waalsin yhtälöllä.
Mendelejev-Clapeyron-yhtälö on otettava huomioon ennen isoprosessien tutkimista. Ihanteellinen kaasuyhtälö on sen toinen nimi. Siinä on seuraava merkintä:
PV=nRT
Toisin sanoen se yhdistää kolme termodynaamista parametria: paine P, lämpötila T ja tilavuus V sekä aineen määrä n. Symboli R tarkoittaa tässä kaasuvakiota, se on 8,314 J / (Kmol).
Mitä ovat isoprosessit kaasuissa?
Nämä prosessit ymmärretään siirtymiksi kaasun kahden eri tilan välillä (alku- ja lopputila), joiden seurauksena jotkin suureet säilyvät ja toiset muuttuvat. Kaasuissa on kolmenlaisia isoprosesseja:
- isoterminen;
- isobaric;
- isokoorinen.
On tärkeää huomata, että niitä kaikkia tutkittiin ja kuvattiin kokeellisesti 1600-luvun jälkipuoliskolta 1800-luvun 30-luvulle. Näiden kokeellisten tulosten perusteella Émile Clapeyron johti vuonna 1834 yhtälön, joka on yleinen kaasuille. Tämä artikkeli on rakennettu päinvastoin - tilayhtälöä soveltamalla saamme kaavat isoprosesseille ihanteellisissa kaasuissa.
Siirtymä vakiolämpötilassa
Se on nimeltään isoterminen prosessi. Ihanteellisen kaasun tilayhtälöstä seuraa, että jatkuvassa absoluuttisessa lämpötilassa suljetussa järjestelmässä tuotteen tulee pysyä vakionatilavuus paineeseen, eli:
PV=jatkuva
Robert Boyle ja Edm Mariotte todellakin havaitsivat tämän suhteen 1600-luvun jälkipuoliskolla, joten tällä hetkellä kirjattu tasa-arvo on heidän nimensä.
Funktionaaliset riippuvuudet P(V) tai V(P) graafisesti ilmaistuna näyttävät hyperboleilta. Mitä korkeammassa lämpötilassa isoterminen koe suoritetaan, sitä suurempi on tuote PV.
Isotermisessä prosessissa kaasu laajenee tai supistuu tehden työtä muuttamatta sisäistä energiaansa.
Siirtymä vakiopaineella
Nyt tutkitaan isobaarista prosessia, jonka aikana paine pidetään vakiona. Esimerkki tällaisesta siirtymisestä on kaasun lämmitys männän alla. Kuumentamisen seurauksena hiukkasten liike-energia kasvaa, ne alkavat osua mäntään useammin ja suuremmalla voimalla, minkä seurauksena kaasu laajenee. Laajentuessaan kaasu suorittaa jonkin verran työtä, jonka hyötysuhde on 40 % (monatomiselle kaasulle).
Tälle isoprosessille ihanteellisen kaasun tilayhtälö sanoo, että seuraavan suhteen on oltava voimassa:
V/T=jatkuva
Se on helppo saada, jos vakiopaine siirretään Clapeyron-yhtälön oikealle puolelle ja lämpötila - vasemmalle. Tätä tasa-arvoa kutsutaan Charlesin laiksi.
Yhtäisyys osoittaa, että funktiot V(T) ja T(V) näyttävät suorilta viivoilta kaavioissa. Suoran V(T) k altevuus suhteessa abskissaan on mitä pienempi, sitä suurempi paineP.
Siirtymä tasaisella äänenvoimakkuudella
Viimeinen isoprosessi kaasuissa, jota tarkastelemme artikkelissa, on isokorinen siirtymä. Universaalia Clapeyron-yhtälöä käyttämällä on helppo saada seuraava yhtälö tälle siirrolle:
P/T=jatkuva
Isokorinen siirtymä kuvataan Gay-Lussacin lailla. Voidaan nähdä, että graafisesti funktiot P(T) ja T(P) ovat suoria viivoja. Kaikista kolmesta isokorisesta prosessista isokorinen on tehokkain, jos on tarpeen nostaa järjestelmän lämpötilaa ulkoisen lämmönsyötön vuoksi. Tämän prosessin aikana kaasu ei toimi, eli kaikki lämpö ohjataan lisäämään järjestelmän sisäistä energiaa.
