הנושא העיקרי של חקר התרמודינמיקה של מערכות גז הוא השינוי במצבים תרמודינמיים. כתוצאה משינויים כאלה, הגז יכול לעשות עבודה ולאגור אנרגיה פנימית. הבה נלמד במאמר שלהלן מעברים תרמודינמיים שונים בגז אידיאלי. תשומת לב מיוחדת תוקדש ללימוד הגרף של התהליך האיזוטרמי.
גזים אידיאליים
לפי עצם השם, אנו יכולים לומר ש-100% גזים אידיאליים אינם קיימים בטבע. עם זאת, חומרים אמיתיים רבים מספקים את הרעיון הזה בדיוק מעשי.
גז אידיאלי הוא כל גז שבו ניתן להזניח את האינטראקציות בין חלקיקיו לגדלים שלהם. שני התנאים מתקיימים רק אם האנרגיה הקינטית של המולקולות תהיה גדולה בהרבה מהאנרגיה הפוטנציאלית של הקשרים ביניהן, והמרחקים בין המולקולות יהיו גדולים בהרבה מגודל החלקיקים.
כדי לקבוע איזהאם הגז הנבדק הוא אידיאלי, ניתן להשתמש בכלל אצבע פשוט: אם הטמפרטורה במערכת היא מעל טמפרטורת החדר, הלחץ אינו שונה מאוד מהלחץ האטמוספרי או נמוך ממנו, ומהמולקולות המרכיבות את המערכת. אינרטי מבחינה כימית, אז הגז יהיה אידיאלי.
החוק הראשי
אנחנו מדברים על משוואת הגז האידיאלית, המכונה גם חוק קלפיירון-מנדלייב. משוואה זו נכתבה בשנות ה-30 של המאה ה-19 על ידי המהנדס והפיזיקאי הצרפתי אמיל קלפיירון. כמה עשורים לאחר מכן, הכימאי הרוסי מנדלייב הביא אותו לצורתו המודרנית. המשוואה הזו נראית כך:
PV=nRT.
בצד שמאל של המשוואה נמצא מכפלת הלחץ P ונפח V, בצד ימין של המשוואה מכפלת הטמפרטורה T וכמות החומר n. R הוא קבוע הגז האוניברסלי. שימו לב ש-T היא הטמפרטורה המוחלטת, הנמדדת בקלווינים.
חוק קלפיירון-מנדלייב התקבל לראשונה מתוצאות חוקי הגז הקודמים, כלומר, הוא התבסס אך ורק על בסיס הניסויים. עם התפתחות הפיזיקה המודרנית והתיאוריה הקינטית של נוזלים, ניתן לגזור את משוואת הגזים האידיאלית מתוך התחשבות בהתנהגות המיקרוסקופית של חלקיקי המערכת.
תהליך איזותרמי
לא משנה אם תהליך זה מתרחש בגזים, נוזלים או מוצקים, יש לו הגדרה מאוד ברורה. מעבר איזותרמי הוא מעבר בין שני מצבים בהם הטמפרטורה של המערכתנשמר, כלומר נשאר ללא שינוי. לכן, הגרף של התהליך האיזוטרמי בצירי הזמן (ציר x) - טמפרטורה (ציר y) יהיה קו אופקי.
לגבי גז אידיאלי, נציין שהמעבר האיזוטרמי עבורו נקרא חוק בויל-מריוט. החוק הזה התגלה בניסוי. יתר על כן, הוא הפך לראשון באזור זה (המחצית השנייה של המאה ה-17). זה יכול להתקבל על ידי כל תלמיד אם הוא מחשיב את התנהגות הגז במערכת סגורה (n=const) בטמפרטורה קבועה (T=const). באמצעות משוואת המצב, נקבל:
nRT=const=>
PV=const.
השוויון האחרון הוא חוק בויל-מריוט. בספרי לימוד בפיזיקה, אתה יכול גם למצוא את צורת הכתיבה הזו:
P1 V1=P2 V 2.
במהלך המעבר ממצב איזותרמי 1 למצב תרמודינמי 2, המכפלה של נפח ולחץ נשאר קבוע עבור מערכת גז סגורה.
החוק הנחקר מדבר על מידתיות הפוכה בין הערכים של P ו-V:
P=const / V.
זה אומר שהגרף של התהליך האיזוטרמי בגז אידיאלי יהיה עקומת היפרבולה. שלוש היפרבולות מוצגות באיור למטה.
כל אחד מהם נקרא איזותרמי. ככל שהטמפרטורה במערכת גבוהה יותר, כך האיזותרמי יהיה רחוק יותר מצירי הקואורדינטות. מהאיור שלמעלה ניתן להסיק שירוק מתאים לטמפרטורה הגבוהה ביותר במערכת וכחול לנמוכה ביותר, בתנאי שכמות החומר בשלושתםמערכות זהות. אם כל האיזותרמים באיור בנויים עבור אותה טמפרטורה, אז זה אומר שהעקומה הירוקה מתאימה למערכת הגדולה ביותר מבחינת כמות החומר.
שינוי באנרגיה הפנימית במהלך תהליך איזותרמי
בפיזיקה של גזים אידיאליים, אנרגיה פנימית מובנת כאנרגיה קינטית הקשורה לתנועה הסיבובית והטרנסלציונית של מולקולות. מהתיאוריה הקינטית קל להשיג את הנוסחה הבאה לאנרגיה הפנימית U:
U=z / 2nRT.
כאשר z הוא מספר דרגות התנועה החופשית של מולקולות. זה נע בין 3 (גז מונוטומי) ל-6 (מולקולות רב-אטומיות).
במקרה של תהליך איזותרמי, הטמפרטורה נשארת קבועה, מה שאומר שהסיבה היחידה לשינוי באנרגיה הפנימית היא יציאה או הגעה של חלקיקי חומר למערכת. לפיכך, במערכות סגורות, במהלך שינוי איזותרמי במצבן, נשמרת אנרגיה פנימית.
תהליכים איזובריים ואיזוכורים
בנוסף לחוק בויל-מריוט, ישנם עוד שני חוקי גז בסיסיים שהתגלו גם הם בניסוי. הם נושאים את שמותיהם של הצרפתים צ'ארלס וגיי-לוסאק. מבחינה מתמטית, הם כתובים כך:
V / T=const כאשר P=const;
P / T=const כאשר V=const.
חוק צ'ארלס אומר שבמהלך תהליך איזוברי (P=const) הנפח תלוי באופן ליניארי בטמפרטורה המוחלטת. חוק Gay-Lussac מציין קשר ליניארי בין לחץ וטמפרטורה מוחלטת באיזוכוריתמעבר (V=const).
מהשוויון הנתון עולה כי הגרפים של מעברים איזובריים ואיזוכורים שונים באופן משמעותי מהתהליך האיזוטרמי. אם לאיזותרם יש צורה של היפרבולה, אזי האיזובר והאיזוחור הם קווים ישרים.
תהליך איזוברי-איזותרמי
כאשר בוחנים את חוקי הגז, לפעמים שוכחים שבנוסף לערכים של T, P ו-V, גם הערך של n בחוק קלפיירון-מנדלייב יכול להשתנות. אם נקבע את הלחץ והטמפרטורה, נקבל את המשוואה של המעבר האיזוברי-איזותרמי:
n / V=const כאשר T=const, P=const.
הקשר הליניארי בין כמות החומר לנפח מרמז שבאותם תנאים, גזים שונים המכילים אותה כמות של חומר תופסים נפחים שווים. לדוגמה, בתנאים רגילים (0 oC, 1 אטמוספירה), הנפח המולארי של כל גז הוא 22.4 ליטר. החוק הנחשב נקרא עקרון אבוגדרו. זה עומד בבסיס חוק דלטון של תערובות גז אידיאליות.
