Materiens gasformiga tillstånd omkring oss är en av de tre vanliga formerna av materia. Inom fysiken betraktas detta flytande aggregationstillstånd vanligtvis i approximationen av en idealgas. Med hjälp av denna uppskattning beskriver vi i artikeln möjliga isoprocesser i gaser.
Idealgas och den universella ekvationen för att beskriva den
En idealgas är en vars partiklar inte har dimensioner och inte interagerar med varandra. Uppenbarligen finns det inte en enda gas som exakt uppfyller dessa villkor, eftersom även den minsta atomen - väte, har en viss storlek. Dessutom, även mellan neutrala ädelgasatomer, finns det en svag van der Waals-interaktion. Då uppstår frågan: i vilka fall kan storleken på gaspartiklar och samspelet mellan dem försummas? Svaret på denna fråga kommer att vara att följa följande fysikalisk-kemiska villkor:
- lågtryck (ca 1 atmosfär och lägre);
- höga temperaturer (runt rumstemperatur och högre);
- kemisk tröghet hos molekyler och atomergas.
Om minst ett av villkoren inte är uppfyllt, bör gasen anses vara verklig och beskrivas med en speciell van der Waals-ekvation.
Mendeleev-Clapeyron-ekvationen måste övervägas innan man studerar isoprocesser. Den ideala gasekvationen är dess andra namn. Den har följande notation:
PV=nRT
Det vill säga, den kopplar samman tre termodynamiska parametrar: tryck P, temperatur T och volym V, samt mängden n av ämnet. Symbolen R betecknar här gaskonstanten, den är lika med 8,314 J / (Kmol).
Vad är isoprocesser i gaser?
Dessa processer förstås som övergångar mellan två olika tillstånd av gasen (initial och slutlig), som ett resultat av vilka vissa kvantiteter bevaras och andra förändras. Det finns tre typer av isoprocesser i gaser:
- isotermisk;
- isobaric;
- isochoric.
Det är viktigt att notera att alla experimentellt studerades och beskrevs under perioden från andra hälften av 1600-talet till 30-talet av 1800-talet. Baserat på dessa experimentella resultat härledde Émile Clapeyron 1834 en ekvation som är universell för gaser. Den här artikeln är uppbyggd tvärtom - genom att tillämpa tillståndsekvationen får vi formler för isoprocesser i ideala gaser.
Övergång vid konstant temperatur
Det kallas en isoterm process. Av tillståndsekvationen för en idealgas följer att vid en konstant absolut temperatur i ett slutet system måste produkten förbli konstantvolym till tryck, dvs.:
PV=const
Detta förhållande observerades verkligen av Robert Boyle och Edm Mariotte under andra hälften av 1600-talet, så den jämlikhet som för närvarande registreras bär deras namn.
Funktionella beroenden P(V) eller V(P), uttryckta grafiskt, ser ut som hyperboler. Ju högre temperatur vid vilken det isotermiska experimentet utförs, desto högre är produkten PV.
I en isotermisk process expanderar eller drar en gas ihop sig och utför arbete utan att ändra sin inre energi.
Övergång vid konstant tryck
Låt oss nu studera den isobariska processen, under vilken trycket hålls konstant. Ett exempel på en sådan övergång är uppvärmningen av gasen under kolven. Som ett resultat av uppvärmning ökar partiklarnas kinetiska energi, de börjar träffa kolven oftare och med större kraft, vilket resulterar i att gasen expanderar. Under expansionsprocessen utför gasen en del arbete, vars effektivitet är 40 % (för en monoatomisk gas).
För denna isoprocess säger tillståndsekvationen för en idealgas att följande relation måste gälla:
V/T=const
Det är lätt att få om konstant tryck överförs till höger sida av Clapeyron-ekvationen och temperaturen - till vänster. Denna jämlikhet kallas Charles' lag.
Equality indikerar att funktionerna V(T) och T(V) ser ut som raka linjer på graferna. Lutningen på linjen V(T) i förhållande till abskissan blir ju mindre desto större tryckP.
Övergång vid konstant volym
Den sista isoprocessen i gaser, som vi kommer att behandla i artikeln, är den isokoriska övergången. Med den universella Clapeyron-ekvationen är det lätt att få följande likhet för denna övergång:
P/T=const
Den isokoriska övergången beskrivs av Gay-Lussac-lagen. Det kan ses att grafiskt sett kommer funktionerna P(T) och T(P) att vara raka linjer. Bland alla tre isokoriska processer är isokorisk den mest effektiva om det är nödvändigt att höja systemets temperatur på grund av tillförseln av extern värme. Under denna process fungerar inte gasen, det vill säga all värme kommer att styras för att öka systemets inre energi.
