Plinovito 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.
Idealni plin i univerzalna jednadžba koja ga opisuje
Idealni plin je onaj čije čestice nemaju dimenzije i ne djeluju jedna na drugu. Očito, ne postoji niti jedan plin koji točno zadovoljava te uvjete, budući da čak i najmanji atom - vodik, 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 može zanemariti veličina čestica plina i međudjelovanje među njima? Odgovor na ovo pitanje bit će poštivanje sljedećih fizičko-kemijskih uvjeta:
- niski tlak (oko 1 atmosfera i ispod);
- visoke temperature (oko sobne temperature i više);
- kemijska inertnost molekula i atomaplin.
Ako barem jedan od uvjeta nije ispunjen, tada se plin treba smatrati stvarnim i opisati ga posebnom van der Waalsovom jednadžbom.
Mendeleev-Clapeyronova jednadžba mora se razmotriti prije proučavanja izoprocesa. Jednadžba idealnog plina njezin je drugi naziv. Ima sljedeću oznaku:
PV=nRT
To jest, povezuje tri termodinamička parametra: tlak P, temperaturu T i volumen V, kao i količinu n tvari. Simbol R ovdje označava plinsku konstantu, jednaka je 8,314 J / (Kmol).
Što su izoprocesi u plinovima?
Ovi procesi se shvaćaju kao prijelazi između dva različita stanja plina (početno i konačno), uslijed kojih se neke količine čuvaju, a druge mijenjaju. Postoje tri vrste izoprocesa u plinovima:
- izotermno;
- izobarski;
- izohorično.
Važno je napomenuti da su svi eksperimentalno proučavani i opisani u razdoblju od druge polovice 17. stoljeća do 30-ih godina 19. stoljeća. Na temelju ovih eksperimentalnih rezultata, Émile Clapeyron je 1834. izveo jednadžbu koja je univerzalna za plinove. Ovaj je članak izgrađen obrnuto - primjenom jednadžbe stanja dobivamo formule za izoprocese u idealnim plinovima.
Prijelaz pri konstantnoj temperaturi
Zove se izotermni proces. Iz jednadžbe stanja idealnog plina slijedi da pri konstantnoj apsolutnoj temperaturi u zatvorenom sustavu proizvod mora ostati konstantanvolumen prema tlaku, tj.:
PV=const
Ovaj odnos su doista promatrali Robert Boyle i Edm Mariotte u drugoj polovici 17. stoljeća, tako da jednakost koja se trenutno bilježi nosi njihova imena.
Funkcionalne ovisnosti P(V) ili V(P), grafički izražene, izgledaju kao hiperbole. Što je viša temperatura na kojoj se izvodi izotermni pokus, to je veći proizvod PV.
U izotermnom procesu, plin se širi ili skuplja, obavljajući rad bez promjene unutarnje energije.
Tranzicija pri konstantnom pritisku
Sada proučimo izobarični proces, tijekom 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 s većom silom udarati u klip, uslijed čega se plin širi. U procesu ekspanzije plin obavlja neki rad čija je učinkovitost 40% (za jednoatomni plin).
Za ovaj izoproces, jednadžba stanja idealnog plina kaže da mora vrijediti sljedeća relacija:
V/T=const
To je lako dobiti ako se konstantni tlak prenese na desnu stranu Clapeyronove jednadžbe, a temperatura - na lijevu. Ova se jednakost naziva Charlesov zakon.
Jednakost označava da funkcije V(T) i T(V) izgledaju kao ravne linije na grafovima. Nagib linije V(T) u odnosu na apscisu bit će manji što je pritisak većiP.
Prijelaz pri konstantnoj glasnoći
Posljednji izoproces u plinovima, koji ćemo razmotriti u članku, je izohorni prijelaz. Koristeći univerzalnu Clapeyronovu jednadžbu, lako je dobiti sljedeću jednakost za ovaj prijelaz:
P/T=const
Izohorični prijelaz opisan je Gay-Lussacovim zakonom. Može se vidjeti da će grafički funkcije P(T) i T(P) biti ravni. Od sva tri izohorna procesa, izohorni je najučinkovitiji ako je potrebno povećati temperaturu sustava zbog dovoda vanjske topline. Tijekom ovog procesa plin ne radi, odnosno sva će toplina biti usmjerena na povećanje unutarnje energije sustava.
