לפני שמחפשים את משמעות הביטוי "חוק הגז", יש צורך לברר מהו גז. גזים הם חומרים שחלקיקיהם נעים באקראי בחלל. חומרים אלו מאופיינים באינטראקציות בין-מולקולריות, אינטראטומיות ואינטריוניות חלשות מאוד. המצב הגזי נקרא גם גז, כלומר, אחד מארבעה, בנוסף לנוזל, מוצק ופלזמה, מצבים מצטברים של חומר. לגזים יש חוקים משלהם. מהו חוק הגז?
הגדרה
מנקודת מבט פיזיקלית, חוקי גז הם חוקים שמסבירים תהליכי איזו המתרחשים בגז אידיאלי. עובדה מעניינת היא שבכימיה יש גם דפוסים מסוימים לתיאור חומרים כאלה המהדהדים עם חוקי הפיזיקה. עם זאת, חוקים אלה חלים על גזים אמיתיים. עכשיו כדאי להבין מה הם גז אידיאלי ואיזו-תהליך. בואו נתחיל.
גז אידיאלי
גז אידיאלי הוא מודל מתמטי של גז אמיתי, אשר מניח שאין אינטראקציה בין חלקיקי גז. מתוך הנחה זומכאן נובע שהחלקיקים נמצאים במגע רק עם הכלי שבו נמצא החומר, וגם שמסת החלקיקים של החומר הזה כל כך קטנה שאפשר להוציאה לחלוטין מהשיקול.
Isoprocesses
כדי לענות על השאלה מהו איזו-תהליך, צריך לפנות לתרמודינמיקה (אחד מענפי הפיזיקה). כדי לתאר את מצבו של גז (גז אידיאלי), הפרמטרים העיקריים הם לחץ, טמפרטורה ונפח.
אז, תהליכי איזו הם תהליכים המתרחשים בגזים, בתנאי שאחד משלושת הפרמטרים הללו יישאר ללא שינוי לאורך זמן. בתהליכים איזוטרמיים הטמפרטורה לא משתנה, בתהליכים איזובריים הלחץ לא משתנה, ובתהליכים איזוחוריים הנפח לא משתנה.
משוואת מנדלייב-קלפיירון
לפני הדיון בחוקי הגז, יש צורך לדעת מהי משוואת מנדלייב-קלפיירון וכיצד משוואה זו מתייחסת לגזים ולחוקיהם. כדי לתאר את התלות זה בזה של כל אותם האינדיקטורים - מוסיפים גם לחץ, נפח, טמפרטורה, קבוע הגז האוניברסלי ונפח (טווחנת).
למשוואה יש את הצורה הבאה: pV=RT.
R - קבוע גז אוניברסלי, אתה יכול לחשב אותו בעצמך, או שאתה יכול להשתמש בערך הידוע כבר - 8, 3144598(48)J⁄(mol ∙K).
לפיכך, הנפח הטוחני הוא היחס בין נפח לכמות החומר (במול), וכמות החומר, בתורה, היא היחס בין מסה למסה מולרית.
ניתן לכתוב את המשוואה באופן הבאדרך: pV=(m / M)RT.
אילו חוקים של גזים קיימים בפיזיקה
כפי שהוזכר קודם לכן, תהליכי איזו נחשבים בפיזיקה. קיימות נוסחאות לתלות של שלוש כמויות בסיסיות (נפח, לחץ, טמפרטורה) זו בזו. חוקי הגז בפיזיקה:
- חוק בויל-מריוט, מיושם במקרה של תהליך איזותרמי: התוצר של לחץ ונפח הגז נשאר ללא שינוי לאורך זמן. בהתבסס על משוואת מנדלייב-קלפיירון - pV=(m / M)RT=const, חוק זה קובע שתוצאת הכפלת הלחץ והנפח תהיה קבועה, בתנאי שטמפרטורת הגז והמסה שלו יישארו ללא שינוי.
- חוק Gay-Lussac, החל על תהליכים איזובריים. במקרה זה, היחס בין נפח וטמפרטורה נשאר ללא שינוי: V / T=const. ניתן לנסח את חוק Gay-Lussac באופן הבא: אם הלחץ והמסה של גז נשארים ללא שינוי לאורך זמן, אזי מנת הנפח חלקי הטמפרטורה היא ערך קבוע.
- חוק צ'ארלס - לתהליכים איזוחוריים. היחס בין לחץ וטמפרטורה אינו משתנה: p / T=const. במקרה זה, היחס בין לחץ הגז לטמפרטורה קבוע בעוד שהלחץ והמסה נשארים ללא שינוי.
חוקי גז: כימיה
בין החוקים הבאים:
- חוק אבוגדרו. הוא מנוסח כך: נפחים שווים של גזים שונים מכילים מספר זהה של מולקולות, כאשר דברים אחרים שווים (לחץ וטמפרטורה). מהחוק הזה נובע -בתנאים רגילים (תנאים נורמליים הם לחץ של 101.235 kPa וטמפרטורה של 273 K), הנפח של כל גז שנכבש על ידי מול 1 הוא 22.4 ליטר.
- חוק דלטון: הנפחים התפוסים על ידי גזים המגיבים זה עם זה ומוצרים המתקבלים במהלך התגובה, כאשר מחלקים את הראשון בשני, מביאים למספרים קטנים אך שלמים בדיוק, הנקראים מקדמים.
- חוק הלחצים החלקיים: על מנת לקבוע את הלחץ של תערובת גזים, יש צורך להוסיף את הלחצים שנוצרים מגזי התערובת.
מגוון חוקים החלים על גזים
אולי אנשים רבים חושבים שגזים הם המצב הפשוט ביותר מבין המצבים המצטברים: שני החלקיקים נעים באקראי, והמרחק ביניהם הוא מקסימלי (במיוחד בהשוואה למוצקים), והמסה של אותם חלקיקים קטנה. עם זאת, החוקים החלים כדי לתאר את המצבים של חומרים כאלה הם מגוונים מאוד. מהאמור לעיל עולה כי לא רק הפיזיקה עוסקת בחקר שאלת חוקי הגז. יתרה מכך, גם בפיזיקה וגם בכימיה אין אחד או שניים מהם. מכאן ניתן להגיע למסקנה שמה שנראה פשוט לא תמיד כך במציאות.
