Ang bawat tao sa panahon ng kanyang buhay ay nakakatagpo ng mga katawan na nasa isa sa tatlong pinagsama-samang estado ng bagay. Ang pinakasimpleng estado ng pagsasama-sama upang pag-aralan ay gas. Sa artikulo, isasaalang-alang natin ang konsepto ng perpektong gas, ibigay ang equation ng estado ng system, at bibigyan din ng kaunting pansin ang paglalarawan ng ganap na temperatura.
Gas state of matter
Ang bawat mag-aaral ay may magandang ideya kung anong estado ng bagay ang kanilang pinag-uusapan kapag narinig nila ang salitang "gas". Ang salitang ito ay nauunawaan bilang isang katawan na may kakayahang sumakop sa anumang volume na ibinigay dito. Hindi nito kayang panatilihin ang hugis nito, dahil hindi nito mapaglabanan ang kahit katiting na panlabas na impluwensya. Gayundin, ang gas ay hindi nagpapanatili ng volume, na nagpapakilala hindi lamang sa mga solido, kundi pati na rin sa mga likido.
Tulad ng isang likido, ang gas ay isang likidong substance. Sa proseso ng paggalaw ng mga solidong katawan sa mga gas, ang huli ay humahadlang sa paggalaw na ito. Ang nagresultang puwersa ay tinatawag na paglaban. Ang halaga nito ay nakasalalay sabilis ng katawan sa gas.
Malakas na halimbawa ng mga gas ay hangin, natural na gas na ginagamit para sa pagpainit ng mga tahanan at pagluluto, mga inert gas (Ne, Ar) na ginagamit upang punan ang advertising glow tubes o ginagamit upang lumikha ng isang inert (hindi agresibo, proteksiyon) na kapaligiran kapag nagwe-welding..
Ideal na gas
Bago magpatuloy sa paglalarawan ng mga batas sa gas at ang equation ng estado, dapat mong maunawaang mabuti ang tanong kung ano ang ideal na gas. Ang konseptong ito ay ipinakilala sa molecular kinetic theory (MKT). Ang ideal na gas ay anumang gas na nakakatugon sa mga sumusunod na katangian:
- Ang mga particle na bumubuo nito ay hindi nakikipag-ugnayan sa isa't isa maliban sa mga direktang mekanikal na banggaan.
- Bilang resulta ng pagbangga ng mga particle sa mga dingding ng sisidlan o sa pagitan ng mga ito, ang kanilang kinetic energy at momentum ay natipid, ibig sabihin, ang banggaan ay itinuturing na ganap na elastic.
- Walang dimensyon ang mga partikulo, ngunit may hangganan ang masa, ibig sabihin, ang mga ito ay katulad ng mga materyal na punto.
Natural na ang anumang gas ay hindi perpekto, ngunit totoo. Gayunpaman, para sa paglutas ng maraming praktikal na problema, ang mga pagtatantya na ito ay lubos na wasto at maaaring gamitin. Mayroong pangkalahatang tuntuning empirikal na nagsasabing: anuman ang likas na kemikal, kung ang isang gas ay may temperatura na mas mataas sa temperatura ng silid at may presyon ng pagkakasunud-sunod ng atmospera o mas mababa, kung gayon maaari itong ituring na perpekto na may mataas na katumpakan at maaaring magamit upang ilarawan ito.formula ng ideal na gas equation ng estado.
Clapeyron-Mendeleev law
Ang mga transition sa pagitan ng iba't ibang pinagsama-samang estado ng matter at mga proseso sa loob ng iisang pinagsama-samang estado ay pinangangasiwaan ng thermodynamics. Ang presyon, temperatura at volume ay tatlong dami na natatanging tumutukoy sa anumang estado ng isang thermodynamic system. Ang formula para sa equation ng estado ng isang perpektong gas ay pinagsasama ang lahat ng tatlong mga dami na ito sa isang solong pagkakapantay-pantay. Isulat natin ang formula na ito:
PV=nRT
Dito P, V, T - presyon, volume, temperatura, ayon sa pagkakabanggit. Ang halaga ng n ay ang dami ng sangkap sa mga moles, at ang simbolong R ay tumutukoy sa unibersal na pare-pareho ng mga gas. Ang pagkakapantay-pantay na ito ay nagpapakita na kung mas malaki ang produkto ng pressure at volume, mas malaki dapat ang produkto ng dami ng substance at temperatura.
Ang formula para sa equation ng estado ng isang gas ay tinatawag na batas ng Clapeyron-Mendeleev. Noong 1834, ang Pranses na siyentipiko na si Emile Clapeyron, na nagbubuod ng mga eksperimentong resulta ng kanyang mga nauna, ay dumating sa equation na ito. Gayunpaman, gumamit si Clapeyron ng isang bilang ng mga constants, na pinalitan ni Mendeleev nang maglaon ng isa - ang unibersal na gas constant R (8, 314 J / (molK)). Samakatuwid, sa modernong pisika, ang equation na ito ay pinangalanan sa mga pangalan ng mga French at Russian scientist.
Iba Pang Mga Equation Form
Sa itaas, isinulat namin ang Mendeleev-Clapeyron equation ng estado para sa isang ideal na gas sa karaniwang tinatanggap atmaginhawang anyo. Gayunpaman, sa mga problema sa thermodynamics, maaaring kailanganin ang isang bahagyang naiibang anyo. Tatlo pang formula ang nakasulat sa ibaba, na direktang sumusunod sa nakasulat na equation:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Ang tatlong equation na ito ay unibersal din para sa isang ideal na gas, tanging sa mga ito ay lumilitaw ang mga dami gaya ng mass m, molar mass M, density ρ at ang bilang ng mga particle N na bumubuo sa system. Ang simbolong kB dito ay nagpapahiwatig ng Boltzmann constant (1, 3810-23J/K).
Boyle-Mariotte Law
Nang iguhit ni Clapeyron ang kanyang equation, nakabatay siya sa mga batas sa gas na natuklasan nang eksperimento ilang dekada na ang nakaraan. Isa sa mga ito ay ang batas ng Boyle-Mariotte. Sinasalamin nito ang isang isothermal na proseso sa isang saradong sistema, bilang isang resulta kung saan ang mga macroscopic na parameter tulad ng pagbabago ng presyon at dami. Kung ilalagay natin ang T at n constant sa equation ng estado para sa isang ideal na gas, ang batas ng gas ay magkakaroon ng anyong:
P1V1=P2V 2
Ito ang batas ng Boyle-Mariotte, na nagsasabing ang produkto ng pressure at volume ay pinapanatili sa panahon ng arbitrary na proseso ng isothermal. Sa kasong ito, nagbabago ang mga value ng P at V.
Kung mag-plot ka ng P(V) o V(P), ang mga isotherm ay magiging hyperbolas.
Mga batas ni Charles at Gay-Lussac
Ang mga batas na ito ay matematikal na naglalarawan ng isobaric at isochoricmga proseso, iyon ay, ang mga naturang paglipat sa pagitan ng mga estado ng sistema ng gas, kung saan ang presyon at dami ay napanatili, ayon sa pagkakabanggit. Ang batas ni Charles ay maaaring isulat sa matematika tulad ng sumusunod:
V/T=const kapag n, P=const.
Ang batas ni Gay-Lussac ay nakasulat tulad ng sumusunod:
P/T=const kapag n, V=const.
Kung ang parehong pagkakapantay-pantay ay ipinakita sa anyo ng isang graph, pagkatapos ay makakakuha tayo ng mga tuwid na linya na nakakiling sa ilang anggulo sa x-axis. Ang ganitong uri ng graph ay nagpapahiwatig ng direktang proporsyonalidad sa pagitan ng volume at temperatura sa pare-parehong presyon at sa pagitan ng presyon at temperatura sa pare-parehong volume.
Tandaan na ang tatlong itinuturing na batas sa gas ay hindi isinasaalang-alang ang kemikal na komposisyon ng gas, gayundin ang pagbabago sa dami ng materya nito.
Ganap na temperatura
Sa pang-araw-araw na buhay, nakasanayan na nating gamitin ang Celsius temperature scale, dahil ito ay maginhawa para sa paglalarawan ng mga proseso sa ating paligid. Kaya, kumukulo ang tubig sa 100 oC at nagyeyelo sa 0 oC. Sa pisika, ang sukat na ito ay lumalabas na hindi maginhawa, samakatuwid, ang tinatawag na absolute temperature scale, na ipinakilala ni Lord Kelvin noong kalagitnaan ng ika-19 na siglo, ay ginagamit. Alinsunod sa sukat na ito, ang temperatura ay sinusukat sa Kelvin (K).
Pinaniniwalaan na sa temperatura na -273, 15 oC walang thermal vibrations ng atoms at molecules, ang kanilang pasulong na paggalaw ay ganap na huminto. Ang temperaturang ito sa degrees Celsius ay tumutugma sa absolute zero sa Kelvin (0 K). Mula sa kahulugang itosumusunod ang pisikal na kahulugan ng absolute temperature: ito ay isang sukatan ng kinetic energy ng mga particle na bumubuo sa matter, halimbawa, mga atoms o molecule.
Bukod sa pisikal na kahulugan sa itaas ng ganap na temperatura, may iba pang mga diskarte sa pag-unawa sa dami na ito. Isa na rito ang nabanggit na gas law ni Charles. Isulat natin ito sa sumusunod na anyo:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Ang huling pagkakapantay-pantay ay nagsasabi na sa isang tiyak na dami ng substansiya sa system (halimbawa, 1 mol) at isang tiyak na presyon (halimbawa, 1 Pa), ang dami ng gas ay natatanging tinutukoy ang ganap na temperatura. Sa madaling salita, ang pagtaas sa dami ng gas sa ilalim ng mga kundisyong ito ay posible lamang dahil sa pagtaas ng temperatura, at ang pagbaba sa volume ay nagpapahiwatig ng pagbaba sa halaga ng T.
Tandaan na, hindi tulad ng temperatura sa Celsius, hindi maaaring negatibo ang ganap na temperatura.
prinsipyo ng Avogadro at mga pinaghalong gas
Bilang karagdagan sa mga batas sa gas sa itaas, ang equation ng estado para sa isang ideal na gas ay humahantong din sa prinsipyong natuklasan ni Amedeo Avogadro sa simula ng ika-19 na siglo, na nagtataglay ng kanyang apelyido. Ang prinsipyong ito ay nagtatatag na ang dami ng anumang gas sa pare-pareho ang presyon at temperatura ay tinutukoy ng dami ng sangkap sa system. Ang katumbas na formula ay ganito ang hitsura:
n/V=const kapag P, T=const.
Ang nakasulat na expression ay humahantong sa kilalang-kilala sa ideal na gas physics na batas ni D alton para sa mga pinaghalong gas. Itoang batas ay nagsasaad na ang partial pressure ng isang gas sa isang mixture ay kakaibang tinutukoy ng atomic fraction nito.
Halimbawa ng paglutas ng problema
Sa isang saradong sisidlan na may matibay na dingding na naglalaman ng perpektong gas, bilang resulta ng pag-init, tumaas ang presyon ng 3 beses. Kinakailangang matukoy ang huling temperatura ng system kung ang inisyal na halaga nito ay 25 oC.
Una, i-convert natin ang temperatura mula degrees Celsius patungong Kelvin, mayroon tayong:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Dahil ang mga dingding ng sisidlan ay matibay, ang proseso ng pag-init ay maaaring ituring na isochoric. Para sa kasong ito, inilalapat namin ang batas ng Gay-Lussac, mayroon kaming:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Kaya, ang panghuling temperatura ay tinutukoy mula sa produkto ng ratio ng presyon at ang paunang temperatura. Ang pagpapalit ng data sa pagkakapantay-pantay, makukuha natin ang sagot: T2=894.45 K. Ang temperaturang ito ay tumutugma sa 621.3 oC.
