Materiens gassformede tilstand rundt oss er en av de tre vanlige formene for materie. I fysikk blir denne flytende aggregeringstilstanden vanligvis betraktet i tilnærmingen til en ideell gass. Ved å bruke denne tilnærmingen beskriver vi i artikkelen mulige isoprosesser i gasser.
Ideell gass og den universelle ligningen for å beskrive den
En ideell gass er en hvis partikler ikke har dimensjoner og ikke samhandler med hverandre. Det er åpenbart ikke en eneste gass som nøyaktig tilfredsstiller disse betingelsene, siden selv det minste atomet - hydrogen, har en viss størrelse. Dessuten, selv mellom nøytrale edelgassatomer, er det en svak van der Waals-interaksjon. Da oppstår spørsmålet: i hvilke tilfeller kan størrelsen på gasspartikler og samspillet mellom dem neglisjeres? Svaret på dette spørsmålet vil være overholdelse av følgende fysisk-kjemiske forhold:
- lavtrykk (ca. 1 atmosfære og under);
- høye temperaturer (rundt romtemperatur og høyere);
- kjemisk inerthet av molekyler og atomergass.
Hvis minst en av betingelsene ikke er oppfylt, bør gassen betraktes som ekte og beskrives med en spesiell van der Waals-ligning.
Mendeleev-Clapeyron-ligningen må vurderes før man studerer isoprosesser. Den ideelle gassligningen er dens andre navn. Den har følgende notasjon:
PV=nRT
Det vil si at den kobler sammen tre termodynamiske parametere: trykk P, temperatur T og volum V, samt mengden n av stoffet. Symbolet R angir her gasskonstanten, den er lik 8,314 J / (Kmol).
Hva er isoprosesser i gasser?
Disse prosessene forstås som overganger mellom to forskjellige tilstander av gassen (initial og siste), som et resultat av at noen mengder blir bevart og andre endres. Det er tre typer isoprosesser i gasser:
- isotermisk;
- isobaric;
- isochoric.
Det er viktig å merke seg at alle ble eksperimentelt studert og beskrevet i perioden fra andre halvdel av 1600-tallet til 30-tallet av 1800-tallet. Basert på disse eksperimentelle resultatene, utledet Émile Clapeyron i 1834 en ligning som er universell for gasser. Denne artikkelen er bygget omvendt - ved å anvende tilstandsligningen får vi formler for isoprosesser i ideelle gasser.
Overgang ved konstant temperatur
Det kalles en isoterm prosess. Fra tilstandsligningen til en ideell gass følger det at ved en konstant absolutt temperatur i et lukket system, må produktet forbli konstantvolum til trykk, dvs.:
PV=const
Dette forholdet ble faktisk observert av Robert Boyle og Edm Mariotte i andre halvdel av 1600-tallet, så likheten som for øyeblikket er registrert bærer deres navn.
Funksjonelle avhengigheter P(V) eller V(P), uttrykt grafisk, ser ut som hyperbler. Jo høyere temperatur det isotermiske eksperimentet utføres ved, jo større er produktet PV.
I en isotermisk prosess ekspanderer eller trekker en gass seg sammen og utfører arbeid uten å endre dens indre energi.
Overgang ved konstant trykk
La oss nå studere den isobariske prosessen, hvor trykket holdes konstant. Et eksempel på en slik overgang er oppvarmingen av gassen under stempelet. Som et resultat av oppvarming øker den kinetiske energien til partiklene, de begynner å treffe stempelet oftere og med større kraft, som et resultat av at gassen utvider seg. I prosessen med ekspansjon utfører gassen noe arbeid, hvis effektivitet er 40 % (for en monoatomisk gass).
For denne isoprosessen sier tilstandsligningen for en ideell gass at følgende relasjon må gjelde:
V/T=const
Det er lett å få hvis konstant trykk overføres til høyre side av Clapeyron-ligningen, og temperatur - til venstre. Denne likheten kalles Charles' lov.
Equality indikerer at funksjonene V(T) og T(V) ser ut som rette linjer på grafene. Helningen til linjen V(T) i forhold til abscissen vil være jo mindre, jo større trykkP.
Overgang ved konstant volum
Den siste isoprosessen i gasser, som vi skal ta for oss i artikkelen, er den isokoriske overgangen. Ved å bruke den universelle Clapeyron-ligningen er det enkelt å oppnå følgende likhet for denne overgangen:
P/T=const
Den isokoriske overgangen er beskrevet av Gay-Lussac-loven. Det kan sees at grafisk vil funksjonene P(T) og T(P) være rette linjer. Blant alle tre isokoriske prosesser er isokorisk den mest effektive hvis det er nødvendig å øke temperaturen i systemet på grunn av tilførsel av ekstern varme. I løpet av denne prosessen virker ikke gassen, det vil si at all varmen vil bli ledet til å øke den indre energien i systemet.
