Ang mga gas, mula sa punto ng view ng thermodynamics, ay inilalarawan ng isang hanay ng mga macroscopic na katangian, na ang pangunahing ay temperatura, presyon at volume. Ang pagiging matatag ng isa sa mga parameter na ito at ang pagbabago sa iba pang dalawa ay nagpapahiwatig na ang isa o isa pang isoprocess ay nangyayari sa gas. Ilalaan namin ang artikulong ito sa isang detalyadong sagot sa mga tanong na isa itong prosesong isochoric, kung paano ito naiiba sa mga pagbabagong isothermal at isobaric sa mga estado ng isang gas system.
Ideal na gas sa physics
Bago sagutin ang tanong na isa itong isochoric na proseso, dapat mong mas kilalanin ang konsepto ng ideal gas. Sa physics, ito ay nauunawaan bilang anumang gas kung saan ang average na kinetic energy ng mga constituent particle nito ay malayong lumampas sa potensyal na enerhiya ng kanilang pakikipag-ugnayan, at ang mga distansya sa pagitan ng mga particle na ito ay ilang mga order ng magnitude na mas malaki kaysa sa kanilang mga linear na sukat. Sa ilalim ng nabanggit na mga kondisyon, posible, kapag isinasagawahindi isinasaalang-alang ng mga kalkulasyon ang enerhiya ng pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga particle (ito ay katumbas ng zero), at maaari ding ipagpalagay na ang mga particle ay mga materyal na punto na may tiyak na mass m.
Ang tanging proseso na nagaganap sa isang perpektong gas ay ang banggaan ng mga particle sa mga dingding ng sisidlan na naglalaman ng substance. Ang mga banggaan na ito ay nagpapakita ng kanilang mga sarili sa pagsasanay bilang pagkakaroon ng isang tiyak na presyon sa gas P.
Bilang panuntunan, ang anumang gas na substance na binubuo ng medyo chemically inert molecules at may mababang pressure at mataas na temperatura ay maituturing na ideal gas na may sapat na katumpakan para sa mga praktikal na kalkulasyon.
Equation na naglalarawan ng perpektong gas
Siyempre, pinag-uusapan natin ang unibersal na batas ng Clapeyron-Mendeleev, na dapat na maunawaan nang mabuti upang maunawaan na ito ay isang isochoric na proseso. Kaya, ang unibersal na equation ng estado ay may sumusunod na anyo:
PV=nRT.
Ibig sabihin, ang produkto ng pressure P at ang volume ng gas V ay katumbas ng produkto ng absolute temperature T at ang dami ng substance sa moles n, kung saan ang R ay ang proportionality factor. Ang equation mismo ay unang isinulat ni Emile Clapeyron noong 1834, at noong 70s ng ika-19 na siglo, pinalitan ni D. Mendeleev dito ang isang hanay ng mga pare-parehong halaga ng isang solong unibersal na pare-pareho ng gas na R (8.314 J/(molK).)).
Alinsunod sa equation ng Clapeyron-Mendeleev, sa saradong sistema ang bilang ng mga particle ng gas ay nananatiling pare-pareho, kaya may tatlong macroscopic na parameter lamang ang maaaring magbago (T, Pat V). Ang huling katotohanan ay sumasailalim sa pag-unawa sa iba't ibang isoprocesses na tatalakayin sa ibaba.
Ano ang isochoric na proseso?
Ang prosesong ito ay nauunawaan bilang ganap na anumang pagbabago sa estado ng system, kung saan pinapanatili ang dami nito.
Kung babaling tayo sa unibersal na equation ng estado, masasabi nating sa isang prosesong isochoric lamang ang presyon at ganap na pagbabago ng temperatura sa isang gas. Upang maunawaan nang eksakto kung paano nagbabago ang mga thermodynamic parameter, isinusulat namin ang katumbas na mathematical expression:
P / T=const.
Minsan ang pagkakapantay-pantay na ito ay ibinibigay sa isang bahagyang naiibang anyo:
P1 / T1=P2 / T 2.
Ang parehong pagkakapantay-pantay ay tinatawag na batas ni Charles ayon sa pangalan ng isang Pranses na siyentipiko na sa pagtatapos ng ika-18 siglo ay nakakuha ng kilalang pag-asa sa eksperimentong paraan.
Kung bubuo tayo ng graph ng function na P(T), magkakaroon tayo ng straight-line dependence, na tinatawag na isochore. Anumang isochore (para sa lahat ng value ng n at V) ay isang tuwid na linya.
Enerhiya na paglalarawan ng proseso
Tulad ng nabanggit, ang isochoric na proseso ay isang pagbabago sa estado ng isang sistema na nagaganap sa isang sarado ngunit hindi nakahiwalay na sistema. Pinag-uusapan natin ang posibilidad ng pagpapalitan ng init sa pagitan ng gas at ng kapaligiran. Sa pangkalahatan, ang anumang supply ng init Q sa system ay humahantong sa dalawang resulta:
- nagbabago ng panloob na enerhiya U;
- gasgumagana ang A, pagpapalawak o pagkontrata.
Ang huling hinuha ay nakasulat sa matematika tulad ng sumusunod:
Q=U + A.
Ang isochoric na proseso ng isang ideal na gas, ayon sa kahulugan nito, ay hindi nagpapahiwatig ng trabahong ginawa ng gas, dahil ang volume nito ay nananatiling hindi nagbabago. Nangangahulugan ito na ang lahat ng init na ibinibigay sa system ay napupunta sa pagtaas ng panloob na enerhiya nito:
Q=U.
Kung papalitan natin ang tahasang formula para sa panloob na enerhiya sa expression na ito, ang init ng prosesong isochoric ay maaaring katawanin bilang:
Q=z / 2nRT.
Narito ang z ay ang bilang ng mga antas ng kalayaan, na tinutukoy ng polyatomic na katangian ng mga molekula na bumubuo sa gas. Para sa isang monatomic gas, z=3, para sa isang diatomic gas - 5, at para sa isang triatomic at higit pa - 6. Dito, sa ilalim ng mga degree ng kalayaan, ang ibig naming sabihin ay translational at rotational degrees.
Kung ihahambing natin ang kahusayan ng pag-init ng sistema ng gas sa mga prosesong isochoric at isobaric, kung gayon sa unang kaso ay makukuha natin ang pinakamataas na kahusayan, dahil sa panahon ng pagbabago ng isobaric sa estado ng system, lumalawak ang gas, at bahagi ng init input ang ginugugol sa paggawa.
Isobaric process
Sa itaas ay inilarawan namin nang detalyado na ito ay isang isochoric na proseso. Ngayon sabihin natin ang ilang mga salita tungkol sa iba pang mga isoprocess. Magsimula tayo sa isobaric. Batay sa pangalan, ito ay nauunawaan bilang ang paglipat ng sistema sa pagitan ng mga estado sa pare-pareho ang presyon. Ang prosesong ito ay inilalarawan ng batas ng Gay-Lussac tulad ng sumusunod:
V / T=const.
Tulad ng isochore, ang V(T) isobar ay kumakatawan din sa isang tuwid na linya sa graph.
Para sang anumang prosesong isobaric, maginhawang kalkulahin ang gawaing ginawa ng gas, dahil katumbas ito ng produkto ng pare-parehong presyon at pagbabago sa volume.
Isothermal process
Ito ay isang proseso kung saan nananatiling pare-pareho ang temperatura ng system. Inilalarawan ito ng batas ng Boyle-Mariotte para sa isang perpektong gas. Nakaka-curious na tandaan na ito ang unang natuklasang eksperimento sa batas ng gas (ikalawang kalahati ng ika-17 siglo). Mukhang ganito ang mathematical notation nito:
PV=const.
Isochoric at isothermal na proseso ay nagkakaiba sa mga tuntunin ng kanilang graphical na representasyon, dahil ang function na P(V) ay isang hyperbolic, hindi isang linear na relasyon.
Halimbawa ng paglutas ng problema
Pagsamahin natin ang teoretikal na impormasyong ibinigay sa artikulo sa pamamagitan ng kanilang aplikasyon upang malutas ang isang praktikal na problema. Ito ay kilala na ang purong gas na nitrogen ay nasa isang silindro sa isang presyon ng 1 atmospera at isang temperatura na 25 °C. Matapos ang silindro ng gas ay pinainit at ang presyon sa loob nito ay nasusukat, ito ay naging 1.5 atmospheres. Ano ang temperatura ng gas sa silindro pagkatapos magpainit? Sa anong halaga nagbago ang panloob na enerhiya ng gas kung mayroong 4 na moles ng nitrogen sa balloon.
Upang sagutin ang unang tanong, ginagamit namin ang sumusunod na expression:
P1 / T1=P2 / T 2.
Mula sa kung saan tayo kumukuha:
T2=P2 / P1 T 1.
Sa expression na ito, maaaring palitan ang pressure sa mga arbitrary na unitmga sukat, dahil ang mga ito ay lumiliit, at ang temperatura ay nasa kelvins lamang. Sa sinabi nito, makakakuha tayo ng:
T2=1.5 /1298.15=447.224 K.
Ang kinakalkula na temperatura sa degrees Celsius ay 174 °C.
Dahil diatomic ang molekula ng nitrogen, ang pagbabago sa panloob na enerhiya nito sa panahon ng pag-init ay maaaring matukoy tulad ng sumusunod:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Ang pagpapalit ng mga kilalang value sa expression na ito, makukuha natin ang sagot sa pangalawang tanong ng problema: ΔU=+12.4 kJ.
