Idealni plin, jednadžba stanja idealnog plina, njegova temperatura i tlak, volumen… popis parametara i definicija korištenih u odgovarajućem dijelu fizike može se nastaviti još dugo. Danas ćemo razgovarati samo o ovoj temi.
Što se smatra u molekularnoj fizici?
Glavni objekt koji se razmatra u ovom odjeljku je idealan plin. Jednadžba stanja idealnog plina dobivena je uzimajući u obzir normalne uvjete okoline, a o tome ćemo govoriti nešto kasnije. Sada pristupimo ovom "problemu" izdaleka.
Recimo da imamo neku masu plina. Njegovo stanje može se odrediti pomoću tri termodinamička parametra. To su, naravno, tlak, volumen i temperatura. Jednadžba stanja sustava u ovom slučaju bit će formula za odnos između odgovarajućih parametara. To izgleda ovako: F (p, V, T)=0.
Ovdje se po prvi put polako približavamo nastanku nečega kao idealnogplin. Naziva se plinom u kojem su interakcije između molekula zanemarive. Općenito, to ne postoji u prirodi. Međutim, svaki vrlo razrijeđeni plin mu je blizu. Dušik, kisik i zrak, koji su u normalnim uvjetima, malo se razlikuju od idealnih. Za pisanje jednadžbe stanja idealnog plina možemo koristiti jedinstveni zakon o plinu. Dobivamo: pV/T=konst.
Povezani koncept 1: Avogadrov zakon
On nam može reći da ako uzmemo isti broj molova apsolutno bilo kojeg slučajnog plina i stavimo ih u iste uvjete, uključujući temperaturu i tlak, tada će plinovi zauzeti isti volumen. Konkretno, eksperiment je proveden u normalnim uvjetima. To znači da je temperatura bila 273,15 Kelvina, tlak je bio jedna atmosfera (760 milimetara žive ili 101325 Paskala). S ovim parametrima, plin je zauzimao volumen jednak 22,4 litre. Stoga možemo reći da će za jedan mol bilo kojeg plina omjer brojčanih parametara biti konstantna vrijednost. Zato je odlučeno da se ova brojka označi slovom R i nazove je univerzalna plinska konstanta. Dakle, to je jednako 8,31. Jedinica je J/molK.
Idealan plin. Jednadžba stanja idealnog plina i njezina manipulacija
Pokušajmo prepisati formulu. Da bismo to učinili, zapisujemo ga u ovom obliku: pV=RT. Zatim izvodimo jednostavnu radnju, množimo obje strane jednadžbe s proizvoljnim brojem molova. Dobivamo pVu=uRT. Uzmimo u obzir činjenicu da je umnožak molarnog volumena ikoličina materije je jednostavno volumen. Ali nakon svega, broj molova će istovremeno biti jednak kvocijentu mase i molarne mase. Upravo tako izgleda Mendelejev-Clapeyronova jednadžba. Daje jasnu predodžbu o tome kakav sustav stvara idealni plin. Jednadžba stanja idealnog plina imat će oblik: pV=mRT/M.
Izvedite formulu za pritisak
Napravimo još neke manipulacije s dobivenim izrazima. Da biste to učinili, desna strana Mendeleev-Clapeyronove jednadžbe se množi i dijeli s Avogadrovim brojem. Sada pažljivo promatramo umnožak količine tvari Avogadrovim brojem. Ovo nije ništa drugo nego ukupan broj molekula u plinu. Ali u isto vrijeme, omjer univerzalne plinske konstante i Avogadrovog broja bit će jednak Boltzmannovoj konstanti. Stoga se formule za tlak mogu zapisati na sljedeći način: p=NkT/V ili p=nkT. Ovdje je simbol n koncentracija čestica.
Idealni plinski procesi
U molekularnoj fizici postoji nešto kao što su izoprocesi. To su termodinamički procesi koji se odvijaju u sustavu pri jednom od konstantnih parametara. U tom slučaju, masa tvari također mora ostati konstantna. Pogledajmo ih konkretnije. Dakle, zakoni idealnog plina.
Pritisak ostaje konstantan
Ovo je Gay-Lussacov zakon. To izgleda ovako: V/T=konst. Može se prepisati i na drugi način: V=Vo (1 + at). Ovdje je a jednako 1/273,15 K^-1 i naziva se "koeficijent proširenja volumena". Temperaturu možemo zamijeniti i u Celzijusima iKelvinovu ljestvicu. U potonjem slučaju dobivamo formulu V=Voat.
Volume ostaje konstantan
Ovo je drugi Gay-Lussacov zakon, koji se češće naziva Charlesov zakon. To izgleda ovako: p/T=const. Postoji još jedna formulacija: p=po (1 + at). Transformacije se mogu izvesti u skladu s prethodnim primjerom. Kao što možete vidjeti, zakoni o idealnim plinovima ponekad su prilično slični jedni drugima.
Temperatura ostaje konstantna
Ako temperatura idealnog plina ostane konstantna, tada možemo dobiti Boyle-Mariotteov zakon. Može se napisati ovako: pV=const.
Povezan koncept 2: parcijalni tlak
Recimo da imamo posudu s plinovima. Bit će to mješavina. Sustav je u stanju toplinske ravnoteže, a sami plinovi međusobno ne reagiraju. Ovdje će N označavati ukupan broj molekula. N1, N2 i tako dalje, redom, broj molekula u svakoj od komponenti smjese. Uzmimo formulu tlaka p=nkT=NkT/V. Može se otvoriti za konkretan slučaj. Za dvokomponentnu smjesu, formula će imati oblik: p=(N1 + N2) kT/V. Ali tada se ispostavi da će se ukupni tlak zbrojiti iz parcijalnih tlakova svake smjese. Dakle, izgledat će kao p1 + p2 i tako dalje. Ovo će biti parcijalni pritisci.
Za što služi?
Formula koju smo dobili pokazuje da je tlak u sustavu iz svake skupine molekula. Usput, ne ovisi odrugi. D alton je to iskoristio kada je formulirao zakon, kasnije nazvan po njemu: u smjesi u kojoj plinovi ne reagiraju kemijski jedni s drugima, ukupni tlak bit će jednak zbroju parcijalnih tlakova.
