Ang pangunahing paksa ng pag-aaral ng thermodynamics ng mga sistema ng gas ay ang pagbabago sa thermodynamic states. Bilang resulta ng naturang mga pagbabago, ang gas ay maaaring gumana at mag-imbak ng panloob na enerhiya. Pag-aralan natin ang artikulo sa ibaba ng iba't ibang thermodynamic transition sa isang perpektong gas. Ang partikular na atensyon ay babayaran sa pag-aaral ng graph ng isothermal na proseso.
Mga perpektong gas
Sa paghusga sa mismong pangalan, masasabi nating 100% ang mga ideal na gas ay hindi umiiral sa kalikasan. Gayunpaman, maraming tunay na substance ang nakakatugon sa konseptong ito nang may praktikal na katumpakan.
Ang ideal na gas ay anumang gas kung saan maaaring mapabayaan ang mga interaksyon sa pagitan ng mga particle nito at ng mga sukat nito. Ang parehong mga kondisyon ay nasiyahan lamang kung ang kinetic energy ng mga molekula ay magiging mas malaki kaysa sa potensyal na enerhiya ng mga bono sa pagitan ng mga ito, at ang mga distansya sa pagitan ng mga molekula ay magiging mas malaki kaysa sa laki ng particle.
Upang matukoy kung alin angKung ang gas sa ilalim ng pag-aaral ay perpekto, maaari kang gumamit ng isang simpleng tuntunin ng hinlalaki: kung ang temperatura sa system ay mas mataas sa temperatura ng silid, ang presyon ay hindi masyadong naiiba sa atmospheric pressure o mas mababa kaysa dito, at ang mga molekula na bumubuo sa system ay chemically inert, kung gayon ang gas ay magiging perpekto.
Pangunahing Batas
Pinag-uusapan natin ang perpektong equation ng gas, na tinatawag ding batas ng Clapeyron-Mendeleev. Ang equation na ito ay isinulat noong 30s ng XIX century ng French engineer at physicist na si Emile Clapeyron. Pagkalipas ng ilang dekada, dinala ito ng Russian chemist na si Mendeleev sa modernong anyo nito. Mukhang ganito ang equation na ito:
PV=nRT.
Sa kaliwang bahagi ng equation ay ang produkto ng pressure P at volume V, sa kanang bahagi ng equation ay ang produkto ng temperatura T at ang dami ng substance n. Ang R ay ang unibersal na pare-pareho ng gas. Tandaan na ang T ay ang ganap na temperatura, na sinusukat sa Kelvins.
Ang batas ng Clapeyron-Mendeleev ay unang nakuha mula sa mga resulta ng mga nakaraang batas sa gas, ibig sabihin, ito ay batay lamang sa pang-eksperimentong base. Sa pag-unlad ng modernong pisika at kinetic theory ng mga likido, ang perpektong equation ng gas ay maaaring makuha mula sa pagsasaalang-alang sa microscopic na pag-uugali ng mga particle ng system.
Isothermal process
Hindi alintana kung ang prosesong ito ay nangyayari sa mga gas, likido o solid, mayroon itong napakalinaw na kahulugan. Ang isothermal transition ay isang transition sa pagitan ng dalawang estado kung saan ang temperatura ng systemnapanatili, ibig sabihin, nananatiling hindi nagbabago. Samakatuwid, ang graph ng isothermal na proseso sa mga axes ng oras (x axis) - temperatura (y axis) ay magiging pahalang na linya.
Tungkol sa isang ideal na gas, tandaan namin na ang isothermal transition para dito ay tinatawag na Boyle-Mariotte law. Ang batas na ito ay natuklasan sa eksperimento. Bukod dito, siya ang naging una sa lugar na ito (ikalawang kalahati ng ika-17 siglo). Maaari itong makuha ng bawat mag-aaral kung isasaalang-alang niya ang pag-uugali ng gas sa isang saradong sistema (n=const) sa isang pare-parehong temperatura (T=const). Gamit ang equation ng estado, makuha natin ang:
nRT=const=>
PV=const.
Ang huling pagkakapantay-pantay ay ang batas ng Boyle-Mariotte. Sa mga aklat-aralin sa pisika, mahahanap mo rin ang ganitong paraan ng pagsulat nito:
P1 V1=P2 V 2.
Sa panahon ng paglipat mula sa isothermal state 1 patungo sa thermodynamic state 2, ang produkto ng volume at pressure ay nananatiling pare-pareho para sa closed gas system.
Ang pinag-aralan na batas ay nagsasalita ng baligtad na proporsyonalidad sa pagitan ng mga halaga ng P at V:
P=const / V.
Ito ay nangangahulugan na ang graph ng isothermal na proseso sa isang ideal na gas ay magiging hyperbola curve. Tatlong hyperbola ang ipinapakita sa figure sa ibaba.
Ang bawat isa sa kanila ay tinatawag na isotherm. Kung mas mataas ang temperatura sa system, mas malayo ang magiging isotherm mula sa mga coordinate axes. Mula sa figure sa itaas, maaari nating tapusin na ang berde ay tumutugma sa pinakamataas na temperatura sa system, at asul hanggang sa pinakamababa, sa kondisyon na ang halaga ng sangkap sa lahat ng tatlongang mga sistema ay pareho. Kung ang lahat ng isotherm sa figure ay binuo para sa parehong temperatura, nangangahulugan ito na ang berdeng curve ay tumutugma sa pinakamalaking sistema sa mga tuntunin ng dami ng substance.
Pagbabago sa panloob na enerhiya sa panahon ng prosesong isothermal
Sa pisika ng mga ideal na gas, ang panloob na enerhiya ay nauunawaan bilang kinetic energy na nauugnay sa rotational at translational motion ng mga molekula. Mula sa kinetic theory, madaling makuha ang sumusunod na formula para sa internal energy U:
U=z / 2nRT.
Kung saan ang z ay ang bilang ng mga antas ng libreng paggalaw ng mga molekula. Ito ay mula sa 3 (monatomic gas) hanggang 6 (polyatomic molecules).
Sa kaso ng isang isothermal na proseso, ang temperatura ay nananatiling pare-pareho, na nangangahulugan na ang tanging dahilan ng pagbabago sa panloob na enerhiya ay ang paglabas o pagdating ng mga particle ng bagay sa system. Kaya, sa mga saradong sistema, sa panahon ng isothermal na pagbabago sa kanilang estado, natitipid ang panloob na enerhiya.
Isobaric at isochoric na proseso
Bilang karagdagan sa batas ng Boyle-Mariotte, may dalawa pang pangunahing batas sa gas na natuklasan din sa eksperimentong paraan. Dala nila ang mga pangalan ng Pranses na Charles at Gay-Lussac. Sa matematika, ang mga ito ay nakasulat nang ganito:
V / T=const kapag P=const;
P / T=const kapag V=const.
Sinasabi ng batas ni Charles na sa panahon ng isobaric na proseso (P=const) ang volume ay nakadepende nang linear sa absolute temperature. Ang batas ng Gay-Lussac ay nagpapahiwatig ng isang linear na relasyon sa pagitan ng presyon at ganap na temperatura sa isochoricpaglipat (V=const).
Mula sa mga ibinigay na pagkakapantay-pantay, sumusunod na ang mga graph ng isobaric at isochoric na mga transition ay malaki ang pagkakaiba sa proseso ng isothermal. Kung ang isotherm ay may hugis ng hyperbola, ang isobar at isochore ay mga tuwid na linya.
Isobaric-isothermal process
Kapag isinasaalang-alang ang mga batas sa gas, minsan ay nakalimutan na, bilang karagdagan sa mga halaga ng T, P at V, ang halaga ng n sa batas ng Clapeyron-Mendeleev ay maaari ding magbago. Kung aayusin natin ang presyon at temperatura, makukuha natin ang equation ng isobaric-isothermal transition:
n / V=const kapag T=const, P=const.
Ang linear na relasyon sa pagitan ng dami ng substance at volume ay nagmumungkahi na sa ilalim ng parehong mga kondisyon, ang iba't ibang mga gas na naglalaman ng parehong dami ng substance ay sumasakop sa pantay na volume. Halimbawa, sa ilalim ng normal na mga kondisyon (0 oC, 1 atmosphere), ang molar volume ng anumang gas ay 22.4 liters. Ang itinuturing na batas ay tinatawag na prinsipyo ni Avogadro. Ito ay sumasailalim sa batas ni D alton tungkol sa mga perpektong halo ng gas.
