Всеки човек през живота си се сблъсква с тела, които са в едно от трите агрегатни състояния на материята. Най-простото агрегатно състояние за изследване е газ. В статията ще разгледаме концепцията за идеален газ, ще дадем уравнението на състоянието на системата и ще обърнем малко внимание на описанието на абсолютната температура.
Газово състояние
Всеки ученик има добра представа за какво състояние на материята говори, когато чуе думата "газ". Тази дума се разбира като тяло, което е способно да заема всеки обем, предоставен му. Не е в състояние да запази формата си, защото не може да устои дори на най-малкото външно влияние. Освен това газът не задържа обем, което го отличава не само от твърдите вещества, но и от течностите.
Като течност, газът е течно вещество. В процеса на движение на твърди тела в газове, последните възпрепятстват това движение. Получената сила се нарича съпротивление. Стойността му зависи отскорост на тялото в газа.
Силни примери за газове са въздухът, природният газ, използван за отопление на домове и готвене, инертните газове (Ne, Ar), използвани за запълване на рекламни светещи тръби или използвани за създаване на инертна (неагресивна, защитна) среда при заваряване.
Идеален газ
Преди да пристъпите към описанието на газовите закони и уравнението на състоянието, трябва да разберете добре въпроса какво е идеалният газ. Тази концепция е въведена в молекулярно-кинетична теория (MKT). Идеален газ е всеки газ, който отговаря на следните характеристики:
- Частиците, които го образуват, не взаимодействат една с друга, освен при директни механични сблъсъци.
- В резултат на сблъсъка на частици със стените на съда или помежду им, тяхната кинетична енергия и импулс се запазват, тоест сблъсъкът се счита за абсолютно еластичен.
- Частиците нямат размери, но имат ограничена маса, тоест те са подобни на материалните точки.
Естествено е, че всеки газ не е идеален, а реален. Въпреки това, за решаване на много практически проблеми, тези приближения са доста валидни и могат да се използват. Има общо емпирично правило, което гласи: независимо от химическата природа, ако газът има температура над стайна температура и налягане от порядъка на атмосферното или по-ниско, тогава той може да се счита за идеален с висока точност и може да се използва за описание то.формула на уравнението на състоянието на идеалния газ.
Закон на Клапейрон-Менделеев
Преходите между различни агрегатни състояния на материята и процеси в рамките на едно агрегатно състояние се управляват от термодинамиката. Налягането, температурата и обемът са три величини, които уникално определят всяко състояние на термодинамична система. Формулата за уравнението на състоянието на идеален газ комбинира всичките три от тези количества в едно равенство. Нека напишем тази формула:
PV=nRT
Тук P, V, T - съответно налягане, обем, температура. Стойността на n е количеството вещество в молове, а символът R обозначава универсалната константа на газовете. Това равенство показва, че колкото по-голямо е произведението на налягането и обема, толкова по-голямо трябва да бъде произведението на количеството вещество и температура.
Формулата за уравнението на състоянието на газ се нарича закон на Клапейрон-Менделеев. През 1834 г. френският учен Емил Клапейрон, обобщавайки експерименталните резултати на своите предшественици, стига до това уравнение. Клапейрон обаче използва редица константи, които Менделеев по-късно заменя с една - универсалната газова константа R (8, 314 J / (molK)). Следователно в съвременната физика това уравнение е кръстено на имената на френски и руски учени.
Други формуляри за уравнения
По-горе написахме уравнението за състояние на Менделеев-Клапейрон за идеален газ в общоприетите иудобна форма. Въпреки това, при проблеми в термодинамиката често може да се изисква малко по-различна форма. По-долу са написани още три формули, които директно следват от написаното уравнение:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Тези три уравнения също са универсални за идеален газ, само в тях се появяват такива количества като маса m, моларна маса M, плътност ρ и броят на частиците N, които изграждат системата. Символът kB тук обозначава константата на Болцман (1, 3810-23J/K).
Закон на Бойл-Мариот
Когато Клапейрон съставя своето уравнение, той се основаваше на газовите закони, които бяха открити експериментално няколко десетилетия по-рано. Един от тях е законът на Бойл-Мариот. Той отразява изотермичен процес в затворена система, в резултат на което се променят макроскопичните параметри като налягане и обем. Ако поставим T и n константа в уравнението на състоянието за идеален газ, тогава законът за газа ще приеме формата:
P1V1=P2V 2
Това е законът на Бойл-Мариот, който казва, че произведението на налягането и обема се запазва по време на произволен изотермичен процес. В този случай самите стойности P и V се променят.
Ако начертаете P(V) или V(P), тогава изотермите ще бъдат хиперболи.
Законите на Чарлз и Гей-Люсак
Тези закони математически описват изобарно и изохорнопроцеси, тоест такива преходи между състоянията на газовата система, при които се запазват съответно налягането и обема. Законът на Чарлз може да бъде математически записан по следния начин:
V/T=const, когато n, P=const.
Законът на Гей-Люсак е написан както следва:
P/T=const, когато n, V=const.
Ако и двете равенства са представени под формата на графика, тогава ще получим прави линии, които са наклонени под някакъв ъгъл спрямо оста x. Този тип графика показва пряка пропорционалност между обем и температура при постоянно налягане и между налягане и температура при постоянен обем.
Забележете, че и трите разглеждани закона за газа не отчитат химическия състав на газа, както и промяната в количеството му вещество.
Абсолютна температура
В ежедневието сме свикнали да използваме температурната скала по Целзий, тъй като тя е удобна за описване на процесите около нас. И така, водата кипи при 100 oC и замръзва при 0 oC. Във физиката тази скала се оказва неудобна, следователно се използва така наречената абсолютна температурна скала, въведена от лорд Келвин в средата на 19 век. В съответствие с тази скала температурата се измерва в Келвин (K).
Смята се, че при температура от -273, 15 oC няма топлинни вибрации на атоми и молекули, тяхното движение напред спира напълно. Тази температура в градуси по Целзий съответства на абсолютната нула в Келвин (0 K). От това определениеФизическото значение на абсолютната температура следва: тя е мярка за кинетичната енергия на частиците, които изграждат материята, например атоми или молекули.
Освен горното физическо значение на абсолютната температура, има и други подходи за разбиране на това количество. Един от тях е споменатият газов закон на Чарлз. Нека го напишем в следната форма:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Последното равенство казва, че при определено количество вещество в системата (например 1 mol) и определено налягане (например 1 Pa), обемът на газа определя еднозначно абсолютната температура. С други думи, увеличаването на обема на газа при тези условия е възможно само поради повишаване на температурата, а намаляването на обема показва намаляване на стойността на T.
Припомнете си, че за разлика от температурата по Целзий, абсолютната температура не може да бъде отрицателна.
Принцип на Авогадро и газови смеси
В допълнение към горните газови закони, уравнението на състоянието за идеален газ води и до принципа, открит от Амедео Авогадро в началото на 19-ти век, който носи неговото фамилно име. Този принцип установява, че обемът на всеки газ при постоянно налягане и температура се определя от количеството вещество в системата. Съответната формула изглежда така:
n/V=const, когато P, T=const.
Писменият израз води до добре познатия във физиката на идеалния газ закон на Далтон за газовите смеси. Товазаконът гласи, че парциалното налягане на газ в смес се определя еднозначно от неговата атомна фракция.
Пример за решаване на проблеми
В затворен съд с твърди стени, съдържащ идеален газ, в резултат на нагряване налягането се увеличава 3 пъти. Необходимо е да се определи крайната температура на системата, ако първоначалната й стойност е била 25 oC.
Първо, нека преобразуваме температурата от градуси по Целзий в Келвин, имаме:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Тъй като стените на съда са твърди, процесът на нагряване може да се счита за изохоричен. За този случай прилагаме закона на Гей-Люсак, имаме:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
По този начин крайната температура се определя от произведението на съотношението на налягането и първоначалната температура. Замествайки данните с равенство, получаваме отговора: T2=894,45 K. Тази температура съответства на 621,3 oC.
