Ang pinagsama-samang estado ng bagay, kung saan ang kinetic energy ng mga particle ay higit na lumalampas sa potensyal na enerhiya ng pakikipag-ugnayan, ay tinatawag na gas. Ang pisika ng naturang mga sangkap ay nagsisimula nang isaalang-alang sa mataas na paaralan. Ang pangunahing isyu sa matematikal na paglalarawan ng likidong sangkap na ito ay ang equation ng estado para sa isang perpektong gas. Pag-aaralan namin ito nang detalyado sa artikulo.
Ideal na gas at ang pagkakaiba nito sa tunay
Tulad ng alam mo, ang anumang estado ng gas ay nailalarawan sa pamamagitan ng magulong paggalaw na may iba't ibang bilis ng mga bumubuo nitong molekula at atom. Sa mga totoong gas, tulad ng hangin, ang mga particle ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa sa isang paraan o iba pa. Karaniwan, ang pakikipag-ugnayang ito ay may karakter na van der Waals. Gayunpaman, kung ang mga temperatura ng sistema ng gas ay mataas (temperatura ng silid at mas mataas) at ang presyon ay hindi malaki (naaayon sa atmospera), kung gayon ang mga interaksyon ng van der Waals ay napakaliit na hindinakakaapekto sa macroscopic na pag-uugali ng buong sistema ng gas. Sa kasong ito, sinasabi nila ang ideal.
Pagsasama-sama ng impormasyon sa itaas sa isang kahulugan, masasabi nating ang ideal na gas ay isang sistema kung saan walang mga interaksyon sa pagitan ng mga particle. Ang mga particle mismo ay walang sukat, ngunit may isang tiyak na masa, at ang mga banggaan ng mga particle sa mga dingding ng sisidlan ay nababanat.
Praktikal na lahat ng gas na nararanasan ng isang tao sa pang-araw-araw na buhay (hangin, natural na methane sa mga gas stove, singaw ng tubig) ay maituturing na perpekto nang may katumpakan na kasiya-siya para sa maraming praktikal na problema.
Mga kinakailangan para sa paglitaw ng ideal na gas equation ng estado sa physics
Aktibong pinag-aralan ng sangkatauhan ang gas na estado ng bagay mula sa isang siyentipikong pananaw sa panahon ng XVII-XIX na siglo. Ang unang batas na naglalarawan sa isothermal na proseso ay ang sumusunod na kaugnayan sa pagitan ng volume ng system V at ng presyon sa loob nito P:
na natuklasan ng eksperimentong sina Robert Boyle at Edme Mariotte
PV=const, na may T=const
Sa pag-eksperimento sa iba't ibang gas sa ikalawang kalahati ng ika-17 siglo, natuklasan ng mga nabanggit na siyentipiko na ang pagdepende ng pressure sa volume ay palaging may anyo ng hyperbola.
Pagkatapos, sa pagtatapos ng ika-18 - sa simula ng ika-19 na siglo, eksperimentong natuklasan ng mga siyentipikong Pranses na sina Charles at Gay-Lussac ang dalawa pang batas ng gas na mathematically na naglalarawan sa isobaric at isochoric na proseso. Ang parehong mga batas ay nakalista sa ibaba:
- V / T=const, kapag P=const;
- P / T=const, na may V=const.
Ang parehong pagkakapantay-pantay ay nagpapahiwatig ng direktang proporsyonalidad sa pagitan ng dami ng gas at temperatura, gayundin sa pagitan ng presyon at temperatura, habang pinapanatili ang pare-parehong presyon at volume, ayon sa pagkakabanggit.
Ang isa pang kinakailangan para sa pagsasama-sama ng equation ng estado ng isang ideal na gas ay ang pagtuklas ng sumusunod na kaugnayan ni Amedeo Avagadro noong 1910s:
n / V=const, na may T, P=const
Pinatunayan nang eksperimental ng Italyano na kung tataasan mo ang dami ng substance n, pagkatapos ay sa pare-parehong temperatura at presyon, tataas ang volume nang linearly. Ang pinakanakakagulat ay ang mga gas na may iba't ibang kalikasan sa parehong mga pressure at temperatura ay sumasakop sa parehong volume kung ang kanilang bilang ay nagtutugma.
Clapeyron-Mendeleev law
Noong 30s ng ika-19 na siglo, ang Pranses na si Emile Clapeyron ay naglathala ng isang akda kung saan ibinigay niya ang equation ng estado para sa isang ideal na gas. Ito ay bahagyang naiiba sa modernong anyo. Sa partikular, gumamit si Clapeyron ng ilang mga constant na sinusukat sa eksperimentong paraan ng kanyang mga nauna. Pagkalipas ng ilang dekada, pinalitan ng ating kababayan na si D. I. Mendeleev ang Clapeyron constants ng iisa - ang universal gas constant R. Bilang resulta, ang unibersal na equation ay nakakuha ng modernong anyo:
PV=nRT
Madaling hulaan na ito ay isang simpleng kumbinasyon ng mga formula ng mga batas sa gas na isinulat sa itaas sa artikulo.
Ang pare-parehong R sa expression na ito ay may napakaspesipikong pisikal na kahulugan. Ipinapakita nito ang gawaing gagawin ng 1 nunal.gas kung ito ay lumawak sa pagtaas ng temperatura ng 1 kelvin (R=8.314 J / (molK)).
Iba pang anyo ng unibersal na equation
Bukod sa itaas na anyo ng unibersal na equation ng estado para sa isang ideal na gas, may mga equation ng estado na gumagamit ng iba pang mga dami. Narito ang mga ito sa ibaba:
- PV=m / MRT;
- PV=NkB T;
- P=ρRT / M.
Sa mga pagkakapantay-pantay na ito, ang m ay ang masa ng isang perpektong gas, ang N ay ang bilang ng mga particle sa system, ang ρ ay ang density ng gas, ang M ay ang halaga ng molar mass.
Tandaan na ang mga formula na nakasulat sa itaas ay wasto lamang kung gagamitin ang mga unit ng SI para sa lahat ng pisikal na dami.
Halimbawang problema
Kapag natanggap ang kinakailangang teoretikal na impormasyon, malulutas namin ang sumusunod na problema. Ang purong nitrogen ay nasa presyon na 1.5 atm. sa isang silindro, ang dami nito ay 70 litro. Kinakailangang matukoy ang bilang ng mga moles ng isang ideal na gas at ang masa nito, kung alam na ito ay nasa temperatura na 50 °C.
Una, isulat natin ang lahat ng unit ng sukat sa SI:
1) P=1.5101325=151987.5 Pa;
2) V=7010-3=0.07 m3;
3) T=50 + 273, 15=323, 15 K.
Ngayon ay pinapalitan namin ang data na ito sa Clapeyron-Mendeleev equation, nakuha namin ang halaga ng halaga ng substance:
n=PV / (RT)=151987.50.07 / (8.314323.15)=3.96 mol
Upang matukoy ang masa ng nitrogen, dapat mong tandaan ang kemikal na formula nito at tingnan ang halagamolar mass sa periodic table para sa elementong ito:
M(N2)=142=0.028 kg/mol.
Ang masa ng gas ay magiging:
m=nM=3.960.028=0.111 kg
Kaya, ang dami ng nitrogen sa balloon ay 3.96 mol, ang masa nito ay 111 gramo.
