Газообразното състояние на материята около нас е една от трите често срещани форми на материя. Във физиката това течно агрегатно състояние обикновено се разглежда в приближението на идеален газ. Използвайки това приближение, ние описваме в статията възможните изопроцеси в газове.
Идеален газ и универсалното уравнение за неговото описание
Идеален газ е този, чиито частици нямат размери и не взаимодействат една с друга. Очевидно няма нито един газ, който да отговаря точно на тези условия, тъй като дори най-малкият атом - водородът, има определен размер. Освен това, дори между неутралните атоми на благороден газ има слабо взаимодействие на Ван дер Ваалс. Тогава възниква въпросът: в какви случаи размерът на газовите частици и взаимодействието между тях могат да бъдат пренебрегнати? Отговорът на този въпрос ще бъде спазването на следните физико-химични условия:
- ниско налягане (около 1 атмосфера и под);
- високи температури (около стайна температура и по-високи);
- химическа инертност на молекули и атомигаз.
Ако поне едно от условията не е изпълнено, тогава газът трябва да се счита за реален и описан със специално уравнение на Ван дер Ваалс.
Уравнението на Менделеев-Клапейрон трябва да бъде взето предвид, преди да се изследват изопроцесите. Идеалното газово уравнение е второто му име. Има следното обозначение:
PV=nRT
Тоест свързва три термодинамични параметъра: налягане P, температура T и обем V, както и количеството n на веществото. Символът R тук обозначава газовата константа, тя е равна на 8,314 J / (Kmol).
Какво представляват изопроцесите в газовете?
Тези процеси се разбират като преходи между две различни състояния на газа (начално и крайно), в резултат на което едни количества се запазват, а други се променят. Има три вида изопроцеси в газовете:
- изотермичен;
- изобарна;
- изохорни.
Важно е да се отбележи, че всички те са експериментално изследвани и описани в периода от втората половина на 17-ти век до 30-те години на 19-ти век. Въз основа на тези експериментални резултати Емил Клапейрон през 1834 г. извежда уравнение, което е универсално за газовете. Тази статия е изградена по обратния начин - прилагайки уравнението на състоянието, получаваме формули за изопроцеси в идеални газове.
Преход при постоянна температура
Това се нарича изотермичен процес. От уравнението на състоянието на идеалния газ следва, че при постоянна абсолютна температура в затворена система продуктът трябва да остане постояненобем към налягане, т.е.:
PV=const
Тази връзка наистина е наблюдавана от Робърт Бойл и Едм Мариот през втората половина на 17-ти век, така че равенството, записано в момента, носи техните имена.
Функционалните зависимости P(V) или V(P), изразени графично, изглеждат като хиперболи. Колкото по-висока е температурата, при която се провежда изотермичният експеримент, толкова по-голям е продуктът PV.
При изотермичен процес газът се разширява или свива, извършвайки работа, без да променя вътрешната си енергия.
Преход при постоянно налягане
Сега нека проучим изобарния процес, по време на който налягането се поддържа постоянно. Пример за такъв преход е нагряването на газа под буталото. В резултат на нагряването кинетичната енергия на частиците се увеличава, те започват да удрят буталото по-често и с по-голяма сила, в резултат на което газът се разширява. В процеса на разширение газът извършва някаква работа, чиято ефективност е 40% (за едноатомен газ).
За този изопроцес, уравнението на състоянието за идеален газ казва, че трябва да е налице следната връзка:
V/T=const
Лесно е да се получи, ако постоянното налягане се прехвърли в дясната страна на уравнението на Клапейрон, а температурата - вляво. Това равенство се нарича закон на Чарлз.
Равенството показва, че функциите V(T) и T(V) изглеждат като прави линии на графиките. Наклонът на правата V(T) спрямо абсцисата ще бъде толкова по-малък, колкото по-голямо е наляганетоP.
Преход при постоянен обем
Последният изопроцес в газовете, който ще разгледаме в статията, е изохорният преход. Използвайки универсалното уравнение на Клапейрон, е лесно да се получи следното равенство за този преход:
P/T=const
Изохорният преход се описва от закона на Гей-Люсак. Вижда се, че графично функциите P(T) и T(P) ще бъдат прави. Измежду трите изохорни процеса, изохорният е най-ефективен, ако е необходимо да се повиши температурата на системата поради подаването на външна топлина. По време на този процес газът не работи, тоест цялата топлина ще бъде насочена към увеличаване на вътрешната енергия на системата.
