המצב הגזי של החומר סביבנו הוא אחת משלוש הצורות הנפוצות של החומר. בפיזיקה, מצב צבירה נוזלי זה נחשב בדרך כלל בקירוב של גז אידיאלי. באמצעות קירוב זה, אנו מתארים במאמר תהליכי איזו אפשריים בגזים.
גז אידיאלי והמשוואה האוניברסלית לתיאורו
גז אידיאלי הוא כזה שלחלקיקיו אין מימדים ואינם מקיימים אינטראקציה זה עם זה. ברור שאין גז אחד שעומד בדיוק בתנאים הללו, שכן אפילו לאטום הקטן ביותר - מימן, יש גודל מסוים. יתרה מכך, אפילו בין אטומי גז אצילים ניטרליים, יש אינטראקציה חלשה של ואן דר ואלס. ואז נשאלת השאלה: באילו מקרים ניתן להזניח את גודלם של חלקיקי הגז ואת האינטראקציה ביניהם? התשובה לשאלה זו תהיה קיום התנאים הפיזיקליים-כימיים הבאים:
- לחץ נמוך (בערך 1 אטמוספירה ומטה);
- טמפרטורות גבוהות (בסביבות טמפרטורת החדר ומעלה);
- אינרטיות כימית של מולקולות ואטומיםגז.
אם לפחות אחד מהתנאים לא מתקיים, יש לראות את הגז אמיתי ולתאר אותו באמצעות משוואת ואן דר ואלס מיוחדת.
יש לשקול את משוואת מנדלייב-קלפיירון לפני לימוד תהליכי איזו. משוואת הגז האידיאלית היא שמו השני. יש לו את הסימון הבא:
PV=nRT
כלומר, הוא מקשר בין שלושה פרמטרים תרמודינמיים: לחץ P, טמפרטורה T ונפח V, וכן את כמות n של החומר. הסמל R כאן מציין את קבוע הגז, הוא שווה ל-8.314 J / (Kמול).
מהם תהליכי איזו בגזים?
תהליכים אלו מובנים כמעברים בין שני מצבים שונים של הגז (ראשוני וסופי), כתוצאה מהם כמויות מסוימות נשמרות ואחרות משתנות. ישנם שלושה סוגים של איזו-תהליכים בגזים:
- isothermal;
- isobaric;
- isochoric.
חשוב לציין שכולם נחקרו ותוארו בניסוי בתקופה שבין המחצית השנייה של המאה ה-17 ועד שנות ה-30 של המאה ה-19. בהתבסס על תוצאות הניסוי הללו, אמיל קלפיירון הסיק בשנת 1834 משוואה שהיא אוניברסלית עבור גזים. מאמר זה בנוי הפוך - ביישום משוואת המצב, אנו מקבלים נוסחאות לאיזו-תהליכים בגזים אידיאליים.
מעבר בטמפרטורה קבועה
זה נקרא תהליך איזותרמי. ממשוואת המצב של גז אידיאלי עולה שבטמפרטורה מוחלטת קבועה במערכת סגורה, התוצר חייב להישאר קבוענפח ללחץ, כלומר:
PV=const
מערכת יחסים זו אכן נצפתה על ידי רוברט בויל ואדם מריוטה במחצית השנייה של המאה ה-17, כך שהשוויון שנרשם כרגע נושא את שמותיהם.
תלות פונקציונלית P(V) או V(P), המבוטאות בצורה גרפית, נראות כמו היפרבולות. ככל שהטמפרטורה שבה מתבצע הניסוי האיזותרמי גבוהה יותר, כך התוצר PV.
גדול יותר
בתהליך איזותרמי, גז מתרחב או מתכווץ, עושה עבודה מבלי לשנות את האנרגיה הפנימית שלו.
מעבר בלחץ קבוע
עכשיו בואו נלמד את התהליך האיזוברי, שבמהלכו הלחץ נשמר קבוע. דוגמה למעבר כזה היא חימום הגז מתחת לבוכנה. כתוצאה מהחימום, האנרגיה הקינטית של החלקיקים עולה, הם מתחילים לפגוע בבוכנה לעתים קרובות יותר ובכוח רב יותר, וכתוצאה מכך הגז מתרחב. בתהליך ההתפשטות הגז מבצע עבודה כלשהי, שיעילותה היא 40% (עבור גז מונוטומי).
עבור תהליך איזו זה, משוואת המצב של גז אידיאלי אומרת שהקשר הבא חייב להתקיים:
V/T=const
קל להשיג אם לחץ קבוע מועבר לצד ימין של משוואת Clapeyron, וטמפרטורה - לשמאל. השוויון הזה נקרא חוק צ'ארלס.
שוויון מציין שהפונקציות V(T) ו-T(V) נראות כמו קווים ישרים על הגרפים. השיפוע של הקו V(T) ביחס לאבשיסה יהיה קטן יותר, ככל שהלחץ גדול יותרP.
מעבר בווליום קבוע
האיזו-תהליך האחרון בגזים, אותו נשקול במאמר, הוא המעבר האיזוכורי. באמצעות משוואת Clapeyron האוניברסלית, קל להשיג את השוויון הבא עבור מעבר זה:
P/T=const
המעבר האיזוכורי מתואר בחוק Gay-Lussac. ניתן לראות שמבחינה גרפית הפונקציות P(T) ו-T(P) יהיו קווים ישרים. מבין כל שלושת התהליכים האיזוכוריים, האיזוכורית היא היעיל ביותר אם יש צורך להעלות את הטמפרטורה של המערכת עקב אספקת חום חיצוני. במהלך תהליך זה הגז אינו פועל, כלומר כל החום יופנה להגברת האנרגיה הפנימית של המערכת.
