Garisto stanje materije oko nas jedan je od tri uobičajena oblika materije. U fizici se ovo fluidno agregacijsko stanje obično razmatra u aproksimaciji idealnog plina. Koristeći ovu aproksimaciju, u članku opisujemo moguće izoprocese u plinovima.
Idealan plin i univerzalna jednadžba koja ga opisuje
Idealan gas je onaj čije čestice nemaju dimenzije i ne interaguju jedna s drugom. Očigledno, ne postoji niti jedan gas koji tačno zadovoljava ove uslove, jer čak i najmanji atom - vodonik, ima određenu veličinu. Štoviše, čak i između neutralnih atoma plemenitog plina, postoji slaba van der Waalsova interakcija. Tada se postavlja pitanje: u kojim slučajevima se veličina čestica gasa i interakcija između njih može zanemariti? Odgovor na ovo pitanje će biti poštovanje sljedećih fizičko-hemijskih uslova:
- nizak pritisak (oko 1 atmosfera i ispod);
- visoke temperature (oko sobne temperature i više);
- hemijska inertnost molekula i atomaplin.
Ako barem jedan od uslova nije ispunjen, tada se plin treba smatrati stvarnim i opisati ga specijalnom van der Waalsovom jednačinom.
Mendeljejev-Klapejronova jednačina se mora uzeti u obzir pre proučavanja izoprocesa. Jednačina idealnog gasa je njeno drugo ime. Ima sljedeću notaciju:
PV=nRT
Odnosno, povezuje tri termodinamička parametra: pritisak P, temperaturu T i zapreminu V, kao i količinu n supstance. Simbol R ovdje označava plinsku konstantu, jednaka je 8,314 J / (Kmol).
Šta su izoprocesi u gasovima?
Ovi procesi se shvataju kao prelazi između dva različita stanja gasa (početno i konačno), usled čega se neke količine čuvaju, a druge menjaju. Postoje tri vrste izoprocesa u gasovima:
- izotermni;
- isobaric;
- isochoric.
Važno je napomenuti da su svi eksperimentalno proučavani i opisani u periodu od druge polovine 17. veka do 30-ih godina 19. veka. Na osnovu ovih eksperimentalnih rezultata, Émile Clapeyron je 1834. izveo jednačinu koja je univerzalna za plinove. Ovaj članak je izgrađen obrnuto - primjenom jednačine stanja dobijamo formule za izoprocese u idealnim plinovima.
Tranzicija na konstantnoj temperaturi
To se zove izotermni proces. Iz jednadžbe stanja idealnog plina slijedi da pri konstantnoj apsolutnoj temperaturi u zatvorenom sistemu proizvod mora ostati konstantanvolumen prema pritisku, tj.:
PV=const
Ovaj odnos su zaista uočili Robert Boyle i Edm Mariotte u drugoj polovini 17. stoljeća, tako da jednakost koja se trenutno evidentira nosi njihova imena.
Funkcionalne zavisnosti P(V) ili V(P), grafički izražene, izgledaju kao hiperbole. Što je viša temperatura na kojoj se izvodi izotermni eksperiment, veći je proizvod PV.
U izotermnom procesu, plin se širi ili skuplja, obavljajući rad bez promjene svoje unutrašnje energije.
Tranzicija pri konstantnom pritisku
Sada proučimo izobarični proces, tokom kojeg se pritisak održava konstantnim. Primjer takvog prijelaza je zagrijavanje plina ispod klipa. Kao rezultat zagrijavanja, kinetička energija čestica se povećava, one počinju češće i sa većom silom udarati o klip, uslijed čega se plin širi. U procesu ekspanzije, gas obavlja neki rad čija je efikasnost 40% (za jednoatomni gas).
Za ovaj izoproces, jednadžba stanja idealnog plina kaže da mora vrijediti sljedeća relacija:
V/T=const
Lako je dobiti ako se konstantan pritisak prenese na desnu stranu Clapeyronove jednačine, a temperatura - na lijevu. Ova jednakost se zove Charlesov zakon.
Jednakost označava da funkcije V(T) i T(V) izgledaju kao prave linije na grafovima. Nagib prave V(T) u odnosu na apscisu bit će manji što je pritisak većiP.
Tranzicija pri konstantnoj jačini
Posljednji izoproces u plinovima, koji ćemo razmotriti u članku, je izohorni prijelaz. Koristeći univerzalnu Clapeyronovu jednačinu, lako je dobiti sljedeću jednakost za ovaj prijelaz:
P/T=const
Izohorni prelaz je opisan Gay-Lussacovim zakonom. Može se vidjeti da će grafički funkcije P(T) i T(P) biti prave. Od sva tri izohorna procesa, izohorni je najefikasniji ako je potrebno povećati temperaturu sistema zbog dovoda vanjske toplote. Tokom ovog procesa, gas ne radi, odnosno sva toplota će biti usmerena na povećanje unutrašnje energije sistema.
