גז אידיאלי, משוואת הגז האידיאלית של המצב, הטמפרטורה והלחץ שלו, נפח… ניתן להמשיך את רשימת הפרמטרים וההגדרות המשמשים בחלק המקביל של הפיזיקה במשך זמן רב למדי. היום נדבר רק על הנושא הזה.
מה נחשב בפיזיקה מולקולרית?
האובייקט העיקרי שנחשב בסעיף זה הוא גז אידיאלי. משוואת הגז האידיאלית של המדינה התקבלה תוך התחשבות בתנאים סביבתיים רגילים, ועל כך נדבר מעט מאוחר יותר. עכשיו בואו ניגש ל"בעיה" הזו מרחוק.
בוא נגיד שיש לנו מסה של גז. ניתן לקבוע את מצבו באמצעות שלושה פרמטרים בעלי אופי תרמודינמי. אלו הם כמובן לחץ, נפח וטמפרטורה. משוואת מצב המערכת במקרה זה תהיה הנוסחה לקשר בין הפרמטרים המתאימים. זה נראה כך: F (p, V, T)=0.
הנה, בפעם הראשונה, אנחנו מתקרבים לאט לאט להופעתו של דבר כזה אידיאליגַז. זה נקרא גז שבו האינטראקציות בין מולקולות זניחות. באופן כללי, זה לא קיים בטבע. עם זאת, כל גז נדיר מאוד קרוב אליו. חנקן, חמצן ואוויר, שנמצאים בתנאים רגילים, שונים מעט מהאידיאל. כדי לכתוב את משוואת המדינה עבור גז אידיאלי, נוכל להשתמש בחוק הגז המאוחד. נקבל: pV/T=const.
מושג קשור 1: חוק אבוגדרו
הוא יכול להגיד לנו שאם ניקח את אותו מספר שומות של כל גז אקראי לחלוטין ונשים אותם באותם תנאים, כולל טמפרטורה ולחץ, אז הגזים יתפסו את אותו נפח. בפרט, הניסוי בוצע בתנאים רגילים. זה אומר שהטמפרטורה הייתה 273.15 קלווין, הלחץ היה אטמוספירה אחת (760 מילימטר כספית, או 101325 פסקל). עם פרמטרים אלה, הגז תפס נפח השווה ל-22.4 ליטר. לכן, אנו יכולים לומר כי עבור שומה אחת של כל גז, היחס בין הפרמטרים המספריים יהיה ערך קבוע. לכן הוחלט לייעד את הדמות הזו באות R ולקרוא לה קבוע הגז האוניברסלי. לפיכך, זה שווה ל-8.31. היחידה היא J/molK.
גז אידיאלי. משוואת הגז האידיאלית של המדינה והמניפולציה שלה
בוא ננסה לשכתב את הנוסחה. כדי לעשות זאת, אנו כותבים את זה בצורה זו: pV=RT. לאחר מכן, אנו מבצעים פעולה פשוטה, מכפילים את שני הצדדים של המשוואה במספר שרירותי של שומות. נקבל pVu=uRT. הבה ניקח בחשבון את העובדה שהתוצר של נפח הטוחנות וכמות החומר היא פשוט הנפח. אבל אחרי הכל, מספר השומות יהיה בו זמנית שווה למנה של המסה והמסה הטוחנית. כך בדיוק נראית משוואת מנדלייב-קלפיירון. זה נותן מושג ברור איזה סוג של מערכת נוצר גז אידיאלי. משוואת המצב עבור גז אידיאלי תקבל את הצורה: pV=mRT/M.
הסק את הנוסחה ללחץ
בוא נעשה עוד כמה מניפולציות עם הביטויים שהתקבלו. לשם כך, הצד הימני של משוואת מנדלייב-קלפיירון מוכפל ומחלקים במספר האבוגדרו. כעת אנו מסתכלים היטב על התוצר של כמות החומר לפי מספר האבוגדרו. אין זה אלא המספר הכולל של מולקולות בגז. אך יחד עם זאת, היחס בין קבוע הגז האוניברסלי למספר האבוגדרו יהיה שווה לקבוע בולצמן. לכן, נוסחאות ללחץ יכולות להיכתב באופן הבא: p=NkT/V או p=nkT. כאן הסימן n הוא ריכוז החלקיקים.
תהליכי גז אידיאליים
בפיסיקה מולקולרית יש דבר כזה תהליכי איזו. מדובר בתהליכים תרמודינמיים המתרחשים במערכת באחד מהפרמטרים הקבועים. במקרה זה, גם מסת החומר חייבת להישאר קבועה. בואו נסתכל עליהם יותר ספציפית. אז, חוקי הגז האידיאלי.
הלחץ נשאר קבוע
זהו החוק של גיי-לוסאק. זה נראה כך: V/T=const. ניתן לשכתב אותו בדרך אחרת: V=Vo (1 + at). כאן a שווה ל-1/273.15 K^-1 והוא נקרא "מקדם התפשטות הנפח". אנחנו יכולים להחליף את הטמפרטורה גם בצלזיוס וגם בסולם קלווין. במקרה האחרון, נקבל את הנוסחה V=Voat.
הווליום נשאר קבוע
זהו החוק השני של גיי-לוסאק, המכונה בדרך כלל החוק של צ'ארלס. זה נראה כך: p/T=const. יש ניסוח נוסף: p=po (1 + at). ניתן לבצע טרנספורמציות בהתאם לדוגמא הקודמת. כפי שאתה יכול לראות, חוקי הגז האידיאליים לפעמים די דומים זה לזה.
הטמפרטורה נשארת קבועה
אם הטמפרטורה של גז אידיאלי נשארת קבועה, נוכל לקבל את חוק בויל-מריוט. ניתן לכתוב זאת כך: pV=const.
מושג קשור 2: לחץ חלקי
בוא נגיד שיש לנו כלי עם גזים. זה יהיה תערובת. המערכת נמצאת במצב של שיווי משקל תרמי, והגזים עצמם אינם מגיבים זה עם זה. כאן N יציין את המספר הכולל של מולקולות. N1, N2 וכן הלאה, בהתאמה, מספר המולקולות בכל אחד ממרכיבי התערובת. ניקח את נוסחת הלחץ p=nkT=NkT/V. ניתן לפתוח אותו למקרה ספציפי. עבור תערובת דו-רכיבית, הנוסחה תקבל את הצורה: p=(N1 + N2) kT/V. אבל אז מסתבר שהלחץ הכולל יסוכם מהלחצים החלקיים של כל תערובת. אז זה ייראה כמו p1 + p2 וכן הלאה. אלו יהיו הלחצים החלקיים.
למה זה מיועד?
הנוסחה שהשגנו מצביעה על כך שהלחץ במערכת הוא מכל קבוצת מולקולות. אגב, זה לא תלויאחרים. דלטון ניצל זאת בעת ניסוח החוק, שנקרא מאוחר יותר על שמו: בתערובת שבה גזים אינם מגיבים זה עם זה כימית, הלחץ הכולל יהיה שווה לסכום הלחצים החלקיים.
