Glavni predmet proučavanja termodinamike plinskih sustava je promjena termodinamičkih stanja. Kao rezultat takvih promjena, plin može obavljati rad i pohranjivati unutarnju energiju. Proučimo u članku ispod različite termodinamičke prijelaze u idealnom plinu. Posebna će se pozornost posvetiti proučavanju grafa izotermnog procesa.
Idealni plinovi
Sudeći po samom nazivu, možemo reći da 100% idealni plinovi ne postoje u prirodi. Međutim, mnoge stvarne tvari zadovoljavaju ovaj koncept s praktičnom točnošću.
Idealni plin je svaki plin u kojem se interakcije između njegovih čestica i njihove veličine mogu zanemariti. Oba uvjeta su zadovoljena samo ako će kinetička energija molekula biti mnogo veća od potencijalne energije veza između njih, a udaljenosti između molekula bit će puno veće od veličine čestice.
Da biste utvrdili koji jeAko je plin koji se proučava idealan, možete koristiti jednostavno pravilo: ako je temperatura u sustavu iznad sobne temperature, tlak se ne razlikuje mnogo od atmosferskog tlaka ili manji od njega, a molekule koje čine sustav su kemijski inertni, tada će plin biti idealan.
Glavni zakon
Govorimo o jednadžbi idealnog plina, koja se također naziva Clapeyron-Mendelejev zakon. Ovu je jednadžbu 30-ih godina XIX stoljeća napisao francuski inženjer i fizičar Emile Clapeyron. Nekoliko desetljeća kasnije, ruski kemičar Mendeljejev ga je doveo do modernog oblika. Ova jednadžba izgleda ovako:
PV=nRT.
Na lijevoj strani jednadžbe je umnožak tlaka P i volumena V, na desnoj strani jednadžbe je umnožak temperature T i količine tvari n. R je univerzalna plinska konstanta. Imajte na umu da je T apsolutna temperatura, koja se mjeri u Kelvinima.
Clapeyron-Mendeleev zakon je prvi put dobiven iz rezultata prethodnih plinskih zakona, odnosno temeljio se isključivo na eksperimentalnoj bazi. S razvojem moderne fizike i kinetičke teorije fluida, jednadžba idealnog plina može se izvesti iz razmatranja mikroskopskog ponašanja čestica sustava.
Izotermički proces
Bez obzira na to događa li se ovaj proces u plinovima, tekućinama ili krutim tvarima, on ima vrlo jasnu definiciju. Izotermni prijelaz je prijelaz između dva stanja u kojima je temperatura sustavaočuvana, odnosno ostaje nepromijenjena. Stoga će graf izotermnog procesa u osi vrijeme (x os) - temperatura (y os) biti vodoravna linija.
Što se tiče idealnog plina, napominjemo da se izotermni prijelaz za njega naziva Boyle-Mariotteov zakon. Ovaj zakon je otkriven eksperimentalno. Štoviše, postao je prvi na ovim prostorima (druga polovica 17. stoljeća). Može ga dobiti svaki učenik ako razmotri ponašanje plina u zatvorenom sustavu (n=const) pri konstantnoj temperaturi (T=const). Koristeći jednadžbu stanja, dobivamo:
nRT=const=>
PV=konst.
Posljednja jednakost je Boyle-Mariotteov zakon. U udžbenicima fizike možete pronaći i ovaj oblik pisanja:
P1 V1=P2 V 2.
Tijekom prijelaza iz izotermnog stanja 1 u termodinamičko stanje 2, proizvod volumena i tlaka ostaje konstantan za zatvoreni plinski sustav.
Proučavani zakon govori o obrnutoj proporcionalnosti između vrijednosti P i V:
P=const / V.
To znači da će graf izotermnog procesa u idealnom plinu biti hiperbola krivulja. Tri hiperbole prikazane su na donjoj slici.
Svaka od njih naziva se izoterma. Što je temperatura u sustavu viša, to će izoterma biti dalje od koordinatnih osi. Iz gornje slike možemo zaključiti da zelena odgovara najvišoj temperaturi u sustavu, a plava najnižoj, pod uvjetom da količina tvari u sve trisustavi su isti. Ako su sve izoterme na slici izgrađene za istu temperaturu, to znači da zelena krivulja odgovara najvećem sustavu u smislu količine tvari.
Promjena unutarnje energije tijekom izotermnog procesa
U fizici idealnih plinova, unutarnja energija se shvaća kao kinetička energija povezana s rotacijskim i translacijskim gibanjem molekula. Iz kinetičke teorije lako je dobiti sljedeću formulu za unutarnju energiju U:
U=z / 2nRT.
Gdje je z broj stupnjeva slobodnog kretanja molekula. On se kreće od 3 (monatomski plin) do 6 (poliatomske molekule).
U slučaju izotermnog procesa temperatura ostaje konstantna, što znači da je jedini razlog promjene unutarnje energije izlazak ili dolazak čestica materije u sustav. Dakle, u zatvorenim sustavima, tijekom izotermne promjene njihovog stanja, unutarnja energija se čuva.
Izobarični i izohorični procesi
Uz Boyle-Mariotteov zakon, postoje još dva osnovna plinska zakona koji su također eksperimentalno otkriveni. Nose imena Francuza Charlesa i Gay-Lussaca. Matematički se zapisuju ovako:
V / T=const kada je P=const;
P / T=konst kada je V=konst.
Charlesov zakon kaže da tijekom izobarnog procesa (P=const) volumen linearno ovisi o apsolutnoj temperaturi. Gay-Lussacov zakon ukazuje na linearni odnos između tlaka i apsolutne temperature na izohoričnojprijelaz (V=konst).
Iz zadanih jednakosti proizlazi da se grafovi izobarnih i izohornih prijelaza značajno razlikuju od izotermnog procesa. Ako izoterma ima oblik hiperbole, tada su izobara i izohora ravne 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 tlak i temperaturu, dobivamo jednadžbu izobarno-izotermnog prijelaza:
n / V=const kada je T=const, P=const.
Linearni odnos između količine tvari i volumena sugerira da pod istim uvjetima različiti plinovi koji sadrže istu količinu tvari zauzimaju jednake volumene. Na primjer, u normalnim uvjetima (0 oC, 1 atmosfera), molarni volumen bilo kojeg plina je 22,4 litre. Razmatrani zakon naziva se Avogadrov princip. On je u osnovi D altonovog zakona idealnih mješavina plinova.
