Materiens gasformige tilstand omkring os er en af de tre almindelige former for stof. I fysik betragtes denne flydende aggregeringstilstand norm alt i en tilnærmelse af en ideel gas. Ved hjælp af denne tilnærmelse beskriver vi i artiklen mulige isoprocesser i gasser.
Ideel gas og den universelle ligning til at beskrive den
En ideel gas er en, hvis partikler ikke har dimensioner og ikke interagerer med hinanden. Det er klart, at der ikke er en enkelt gas, der nøjagtigt opfylder disse betingelser, da selv det mindste atom - brint, har en vis størrelse. Desuden er der selv mellem neutrale ædelgasatomer en svag van der Waals-vekselvirkning. Så opstår spørgsmålet: i hvilke tilfælde kan størrelsen af gaspartikler og samspillet mellem dem negligeres? Svaret på dette spørgsmål vil være overholdelse af følgende fysisk-kemiske forhold:
- lavtryk (ca. 1 atmosfære og derunder);
- høje temperaturer (omkring stuetemperatur og derover);
- kemisk inertitet af molekyler og atomergas.
Hvis mindst en af betingelserne ikke er opfyldt, skal gassen betragtes som reel og beskrives med en speciel van der Waals-ligning.
Mendeleev-Clapeyron-ligningen skal overvejes, før man studerer isoprocesser. Den ideelle gasligning er dens andet navn. Den har følgende notation:
PV=nRT
Det vil sige, den forbinder tre termodynamiske parametre: tryk P, temperatur T og volumen V, samt mængden n af stoffet. Symbolet R angiver her gaskonstanten, den er lig med 8,314 J / (Kmol).
Hvad er isoprocesser i gasser?
Disse processer forstås som overgange mellem to forskellige tilstande af gassen (initial og endelig), som et resultat af hvilke nogle mængder bevares og andre ændres. Der er tre typer isoprocesser i gasser:
- isotermisk;
- isobarisk;
- isochoric.
Det er vigtigt at bemærke, at dem alle blev eksperimentelt undersøgt og beskrevet i perioden fra anden halvdel af det 17. århundrede til 30'erne af det 19. århundrede. Baseret på disse eksperimentelle resultater udledte Émile Clapeyron i 1834 en ligning, der er universel for gasser. Denne artikel er bygget omvendt - ved at anvende tilstandsligningen får vi formler for isoprocesser i ideelle gasser.
Overgang ved konstant temperatur
Det kaldes en isoterm proces. Af tilstandsligningen for en ideel gas følger det, at produktet ved en konstant absolut temperatur i et lukket system skal forblive konstantvolumen til tryk, dvs.:
PV=const
Dette forhold blev faktisk observeret af Robert Boyle og Edm Mariotte i anden halvdel af det 17. århundrede, så den ligestilling, der i øjeblikket registreres, bærer deres navne.
Funktionelle afhængigheder P(V) eller V(P), udtrykt grafisk, ligner hyperbler. Jo højere temperatur, som det isotermiske eksperiment udføres ved, jo større er produktet PV.
I en isotermisk proces udvider eller trækker en gas sig sammen og udfører arbejde uden at ændre dens indre energi.
Overgang ved konstant tryk
Lad os nu studere den isobariske proces, hvor trykket holdes konstant. Et eksempel på en sådan overgang er opvarmningen af gassen under stemplet. Som et resultat af opvarmning øges partiklernes kinetiske energi, de begynder at ramme stemplet oftere og med større kraft, som et resultat af, at gassen udvider sig. I udvidelsesprocessen udfører gassen noget arbejde, hvis effektivitet er 40 % (for en monoatomisk gas).
For denne isoproces siger tilstandsligningen for en ideel gas, at følgende relation skal holde:
V/T=const
Det er let at få, hvis konstant tryk overføres til højre side af Clapeyron-ligningen, og temperaturen - til venstre. Denne lighed kaldes Charles' lov.
Ligelighed angiver, at funktionerne V(T) og T(V) ligner rette linjer på graferne. Hældningen af linjen V(T) i forhold til abscissen vil være jo mindre, jo større trykP.
Overgang ved konstant lydstyrke
Den sidste isoproces i gasser, som vi vil overveje i artiklen, er den isochoriske overgang. Ved at bruge den universelle Clapeyron-ligning er det nemt at opnå følgende lighed for denne overgang:
P/T=konstant
Den isokoriske overgang er beskrevet af Gay-Lussac-loven. Det kan ses, at grafisk vil funktionerne P(T) og T(P) være rette linjer. Blandt alle tre isochoriske processer er isochorisk den mest effektive, hvis det er nødvendigt at øge systemets temperatur på grund af tilførsel af ekstern varme. Under denne proces virker gassen intet, det vil sige, at al varmen ledes til at øge systemets indre energi.
