Glavni predmet proučavanja termodinamike gasnih sistema je promena termodinamičkih stanja. Kao rezultat takvih promjena, plin može obavljati rad i skladištiti unutrašnju energiju. Proučimo u članku ispod različite termodinamičke prijelaze u idealnom plinu. Posebna pažnja će se posvetiti proučavanju grafa izotermnog procesa.
Idealni plinovi
Sudeći po samom nazivu, možemo reći da 100% idealni gasovi ne postoje u prirodi. Međutim, mnoge stvarne supstance zadovoljavaju ovaj koncept sa praktičnom tačnošću.
Idealni plin je svaki plin u kojem se interakcije između njegovih čestica i njihove veličine mogu zanemariti. Oba uslova su zadovoljena samo ako će kinetička energija molekula biti mnogo veća od potencijalne energije veza između njih, a udaljenosti između molekula će biti mnogo veće od veličine čestica.
Da odredite koji jeAko je plin koji se proučava idealan, možete koristiti jednostavno pravilo: ako je temperatura u sistemu iznad sobne temperature, pritisak se ne razlikuje mnogo od atmosferskog pritiska ili manji od njega, a molekuli koji čine sistem su hemijski inertni, tada će plin biti idealan.
Glavni zakon
Govorimo o jednačini idealnog gasa, koja se još naziva i Clapeyron-Mendelejev zakon. Ovu jednačinu napisao je 30-ih godina XIX vijeka francuski inženjer i fizičar Emile Clapeyron. Nekoliko decenija kasnije, ruski hemičar Mendeljejev ga je doveo do njegovog modernog oblika. Ova jednadžba izgleda ovako:
PV=nRT.
Na levoj strani jednačine je proizvod pritiska P i zapremine V, na desnoj strani jednačine je proizvod temperature T i količine supstance n. R je univerzalna plinska konstanta. Imajte na umu da je T apsolutna temperatura, koja se mjeri u Kelvinima.
Klapejron-Mendeljejev zakon je prvi put dobijen iz rezultata prethodnih zakona o gasu, odnosno bio je zasnovan isključivo na eksperimentalnoj bazi. Sa razvojem moderne fizike i kinetičke teorije fluida, jednačina idealnog gasa može se izvesti iz razmatranja mikroskopskog ponašanja čestica sistema.
Izotermički proces
Bez obzira da li se ovaj proces odvija u gasovima, tečnostima ili čvrstim materijama, on ima vrlo jasnu definiciju. Izotermni prijelaz je prijelaz između dva stanja u kojima je temperatura sistemaočuvana, odnosno ostaje nepromijenjena. Stoga će graf izotermnog procesa u osi vrijeme (x os) - temperatura (y osa) biti horizontalna linija.
Što se tiče idealnog gasa, napominjemo da se izotermni prelaz za njega naziva Boyle-Mariotteov zakon. Ovaj zakon je otkriven eksperimentalno. Štaviše, postao je prvi na ovim prostorima (druga polovina 17. vijeka). Može ga dobiti svaki student ako razmotri ponašanje gasa u zatvorenom sistemu (n=const) pri konstantnoj temperaturi (T=const). Koristeći jednadžbu stanja, dobijamo:
nRT=const=>
PV=konst.
Posljednja jednakost je Boyle-Mariotteov zakon. U udžbenicima fizike možete pronaći i ovaj oblik pisanja:
P1 V1=P2 V 2.
Tokom prelaska iz izotermnog stanja 1 u termodinamičko stanje 2, proizvod zapremine i pritiska ostaje konstantan za zatvoreni gasni sistem.
Proučavani zakon govori o obrnutoj proporcionalnosti između vrijednosti P i V:
P=const / V.
Ovo znači da će graf izotermnog procesa u idealnom gasu biti hiperbola kriva. Tri hiperbole su prikazane na slici ispod.
Svaka od njih se naziva izoterma. Što je temperatura u sistemu viša, to će izoterma biti dalje od koordinatnih osa. Iz gornje slike možemo zaključiti da zelena odgovara najvišoj temperaturi u sistemu, a plava najnižoj, pod uslovom da količina supstance u sve trisistemi su isti. Ako su sve izoterme na slici izgrađene za istu temperaturu, onda to znači da zelena kriva odgovara najvećem sistemu u smislu količine supstance.
Promena unutrašnje energije tokom izotermnog procesa
U fizici idealnih gasova, unutrašnja energija se shvata kao kinetička energija povezana sa rotacionim i translacionim kretanjem molekula. Iz kinetičke teorije lako je dobiti sljedeću formulu za unutrašnju energiju U:
U=z / 2nRT.
Gdje je z broj stupnjeva slobodnog kretanja molekula. Ona se kreće od 3 (monatomski gas) do 6 (poliatomski molekuli).
U slučaju izotermnog procesa, temperatura ostaje konstantna, što znači da je jedini razlog za promjenu unutrašnje energije izlazak ili dolazak čestica materije u sistem. Dakle, u zatvorenim sistemima, tokom izotermne promene njihovog stanja, unutrašnja energija se čuva.
Izobarični i izohorični procesi
Pored Boyle-Mariotteovog zakona, postoje još dva osnovna zakona o plinu koji su također eksperimentalno otkriveni. Nose imena Francuza Charlesa i Gay-Lusaca. Matematički, pišu se ovako:
V / T=const kada je P=const;
P / T=const kada je V=const.
Charlesov zakon kaže da tokom izobarskog procesa (P=const) zapremina linearno zavisi od apsolutne temperature. Gay-Lussacov zakon ukazuje na linearnu vezu između pritiska i apsolutne temperature na izohoričnojprijelaz (V=const).
Iz datih jednakosti proizilazi da se grafovi izobarnih i izohornih prelaza značajno razlikuju od izotermnog procesa. Ako izoterma ima oblik hiperbole, tada su izobara i izohora prave linije.
Izobarično-izotermni proces
Kada se razmatraju plinski zakoni, ponekad se zaboravlja da se, osim vrijednosti T, P i V, može promijeniti i vrijednost n u Clapeyron-Mendelejevom zakonu. Ako fiksiramo pritisak i temperaturu, onda ćemo dobiti jednačinu izobarično-izotermnog prijelaza:
n / V=const kada je T=const, P=const.
Linearni odnos između količine supstance i zapremine sugeriše da pod istim uslovima različiti gasovi koji sadrže istu količinu supstance zauzimaju jednake zapremine. Na primjer, u normalnim uvjetima (0 oC, 1 atmosfera), molarna zapremina bilo kojeg plina je 22,4 litara. Razmatrani zakon naziva se Avogadrov princip. On je u osnovi D altonovog zakona idealnih mešavina gasa.
