Основният предмет на изучаване на термодинамиката на газовите системи е промяната в термодинамичните състояния. В резултат на такива промени газът може да върши работа и да съхранява вътрешна енергия. Нека проучим в статията по-долу различни термодинамични преходи в идеален газ. Особено внимание ще бъде отделено на изучаването на графиката на изотермичния процес.
Идеални газове
Съдейки по самото име, можем да кажем, че 100% идеални газове не съществуват в природата. Въпреки това, много реални вещества удовлетворяват тази концепция с практическа точност.
Идеален газ е всеки газ, в който взаимодействията между неговите частици и техните размери могат да бъдат пренебрегнати. И двете условия са изпълнени само ако кинетичната енергия на молекулите ще бъде много по-голяма от потенциалната енергия на връзките между тях, а разстоянията между молекулите ще бъдат много по-големи от размера на частиците.
За да определите кое еАко изследваният газ е идеален, можете да използвате едно просто правило: ако температурата в системата е над стайна температура, налягането не е много различно от атмосферното налягане или по-малко от него, и молекулите, които изграждат системата са химически инертни, тогава газът ще бъде идеален.
Основно право
Говорим за уравнението на идеалния газ, което се нарича още закон на Клапейрон-Менделеев. Това уравнение е записано през 30-те години на XIX век от френския инженер и физик Емил Клапейрон. Няколко десетилетия по-късно руският химик Менделеев го довежда до съвременния му вид. Това уравнение изглежда така:
PV=nRT.
От лявата страна на уравнението е произведението на налягането P и обема V, от дясната страна на уравнението е произведението на температурата T и количеството вещество n. R е универсалната газова константа. Имайте предвид, че T е абсолютната температура, която се измерва в келвини.
Законът на Клапейрон-Менделеев е получен за първи път от резултатите от предишни газови закони, тоест се основава единствено на експерименталната база. С развитието на съвременната физика и кинетичната теория на флуидите, уравнението на идеалния газ може да бъде извлечено от разглеждането на микроскопичното поведение на частиците на системата.
Изотермичен процес
Независимо от това дали този процес протича в газове, течности или твърди вещества, той има много ясна дефиниция. Изотермичен преход е преход между две състояния, в които температурата на систематазапазена, тоест остава непроменена. Следователно графиката на изотермичния процес по осите време (ос x) - температура (ос y) ще бъде хоризонтална линия.
Относно идеалния газ, отбелязваме, че изотермичният преход за него се нарича закон на Бойл-Мариот. Този закон е открит експериментално. Освен това той става първият в тази област (втората половина на 17 век). Може да се получи от всеки ученик, ако разгледа поведението на газа в затворена система (n=const) при постоянна температура (T=const). Използвайки уравнението на състоянието, получаваме:
nRT=const=>
PV=const.
Последното равенство е законът на Бойл-Мариот. В учебниците по физика можете да намерите и тази форма на писане:
P1 V1=P2 V 2.
По време на прехода от изотермично състояние 1 към термодинамично състояние 2, произведението на обема и налягането остава постоянно за затворена газова система.
Изследваният закон говори за обратна пропорционалност между стойностите на P и V:
P=const / V.
Това означава, че графиката на изотермичния процес в идеален газ ще бъде крива на хипербола. Три хиперболи са показани на фигурата по-долу.
Всяка от тях се нарича изотерма. Колкото по-висока е температурата в системата, толкова по-далеч от координатните оси ще бъде изотермата. От фигурата по-горе можем да заключим, че зеленото съответства на най-високата температура в системата, а синьото на най-ниската, при условие че количеството вещество и в тритесистемите са еднакви. Ако всички изотерми на фигурата са изградени за една и съща температура, това означава, че зелената крива съответства на най-голямата система по отношение на количеството вещество.
Промяна във вътрешната енергия по време на изотермичен процес
Във физиката на идеалните газове вътрешната енергия се разбира като кинетична енергия, свързана с въртеливото и транслационно движение на молекулите. От кинетичната теория е лесно да се получи следната формула за вътрешната енергия U:
U=z / 2nRT.
Където z е броят на градусите на свободно движение на молекулите. Тя варира от 3 (монатомен газ) до 6 (многоатомни молекули).
В случай на изотермичен процес температурата остава постоянна, което означава, че единствената причина за промяната на вътрешната енергия е излизането или пристигането на частици материя в системата. Така в затворени системи, по време на изотермична промяна в тяхното състояние, вътрешната енергия се запазва.
Изобарни и изохорни процеси
В допълнение към закона на Бойл-Мариот, има още два основни закона за газа, които също бяха открити експериментално. Те носят имената на французите Шарл и Гей-Люсак. Математически те се пишат така:
V / T=const, когато P=const;
P / T=const, когато V=const.
Законът на Чарлз казва, че по време на изобарен процес (P=const) обемът зависи линейно от абсолютната температура. Законът на Гей-Люсак показва линейна връзка между налягането и абсолютната температура при изохорнопреход (V=const).
От дадените равенства следва, че графиките на изобарни и изохорни преходи се различават значително от изотермичния процес. Ако изотермата има формата на хипербола, тогава изобара и изохора са прави линии.
Изобарно-изотермичен процес
Когато се разглеждат газовите закони, понякога се забравя, че в допълнение към стойностите на T, P и V, стойността на n в закона на Клапейрон-Менделеев също може да се промени. Ако фиксираме налягането и температурата, тогава получаваме уравнението на изобарно-изотермичния преход:
n / V=const, когато T=const, P=const.
Линейната връзка между количеството вещество и обема предполага, че при едни и същи условия различните газове, съдържащи едно и също количество вещество, заемат равни обеми. Например, при нормални условия (0 oC, 1 атмосфера), моларният обем на всеки газ е 22,4 литра. Разглежданият закон се нарича принцип на Авогадро. Той е в основата на закона на Далтън за идеалните газови смеси.
