Το κύριο αντικείμενο της μελέτης της θερμοδυναμικής των συστημάτων αερίου είναι η αλλαγή στις θερμοδυναμικές καταστάσεις. Ως αποτέλεσμα τέτοιων αλλαγών, το αέριο μπορεί να λειτουργήσει και να αποθηκεύσει εσωτερική ενέργεια. Ας μελετήσουμε στο παρακάτω άρθρο διαφορετικές θερμοδυναμικές μεταπτώσεις σε ένα ιδανικό αέριο. Ιδιαίτερη προσοχή θα δοθεί στη μελέτη του γραφήματος της ισοθερμικής διαδικασίας.
Ιδανικά αέρια
Κρίνοντας από το ίδιο το όνομα, μπορούμε να πούμε ότι 100% ιδανικά αέρια δεν υπάρχουν στη φύση. Ωστόσο, πολλές πραγματικές ουσίες ικανοποιούν αυτήν την ιδέα με πρακτική ακρίβεια.
Ιδανικό αέριο είναι κάθε αέριο στο οποίο οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των σωματιδίων του και των μεγεθών τους μπορούν να παραμεληθούν. Και οι δύο συνθήκες ικανοποιούνται μόνο εάν η κινητική ενέργεια των μορίων θα είναι πολύ μεγαλύτερη από τη δυναμική ενέργεια των μεταξύ τους δεσμών και οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων θα είναι πολύ μεγαλύτερες από το μέγεθος των σωματιδίων.
Για να προσδιορίσετε ποιο είναιΕάν το υπό μελέτη αέριο είναι ιδανικό, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν απλό εμπειρικό κανόνα: εάν η θερμοκρασία στο σύστημα είναι πάνω από τη θερμοκρασία δωματίου, η πίεση δεν είναι πολύ διαφορετική από την ατμοσφαιρική πίεση ή μικρότερη από αυτήν και τα μόρια που αποτελούν το σύστημα είναι χημικά αδρανείς, τότε το αέριο θα είναι ιδανικό.
Κύριος Νόμος
Μιλάμε για την εξίσωση ιδανικού αερίου, η οποία ονομάζεται επίσης νόμος Clapeyron-Mendeleev. Αυτή η εξίσωση γράφτηκε στη δεκαετία του '30 του 19ου αιώνα από τον Γάλλο μηχανικό και φυσικό Emile Clapeyron. Λίγες δεκαετίες αργότερα, ο Ρώσος χημικός Mendeleev το έφερε στη σύγχρονη μορφή του. Αυτή η εξίσωση μοιάζει με αυτό:
PV=nRT.
Στην αριστερή πλευρά της εξίσωσης είναι το γινόμενο της πίεσης P και του όγκου V, στη δεξιά πλευρά της εξίσωσης είναι το γινόμενο της θερμοκρασίας T και της ποσότητας της ουσίας n. R είναι η καθολική σταθερά αερίου. Σημειώστε ότι το T είναι η απόλυτη θερμοκρασία, η οποία μετριέται σε Kelvin.
Ο νόμος Clapeyron-Mendeleev ελήφθη αρχικά από τα αποτελέσματα προηγούμενων νόμων για τα αέρια, δηλαδή βασίστηκε αποκλειστικά στην πειραματική βάση. Με την ανάπτυξη της σύγχρονης φυσικής και της κινητικής θεωρίας των ρευστών, η εξίσωση του ιδανικού αερίου μπορεί να προκύψει από την εξέταση της μικροσκοπικής συμπεριφοράς των σωματιδίων του συστήματος.
Ισοθερμική διαδικασία
Ανεξάρτητα από το αν αυτή η διαδικασία συμβαίνει σε αέρια, υγρά ή στερεά, έχει έναν πολύ σαφή ορισμό. Ισόθερμη μετάβαση είναι μια μετάβαση μεταξύ δύο καταστάσεων στις οποίες η θερμοκρασία του συστήματοςδιατηρείται, δηλαδή, παραμένει αναλλοίωτο. Επομένως, η γραφική παράσταση της ισοθερμικής διαδικασίας στους άξονες χρόνου (άξονας x) - θερμοκρασία (άξονας y) θα είναι μια οριζόντια γραμμή.
Σχετικά με ένα ιδανικό αέριο, σημειώνουμε ότι η ισόθερμη μετάβαση για αυτό ονομάζεται νόμος Boyle-Mariotte. Αυτός ο νόμος ανακαλύφθηκε πειραματικά. Επιπλέον, έγινε ο πρώτος σε αυτόν τον τομέα (β' μισό 17ου αιώνα). Μπορεί να ληφθεί από κάθε μαθητή εάν εξετάσει τη συμπεριφορά του αερίου σε ένα κλειστό σύστημα (n=const) σε σταθερή θερμοκρασία (T=const). Χρησιμοποιώντας την εξίσωση κατάστασης, παίρνουμε:
nRT=const=>
PV=συνεχ.
Η τελευταία ισότητα είναι ο νόμος Boyle-Mariotte. Στα εγχειρίδια φυσικής, μπορείτε επίσης να βρείτε αυτήν τη μορφή γραφής:
P1 V1=P2 V 2.
Κατά τη μετάβαση από την ισοθερμική κατάσταση 1 στη θερμοδυναμική κατάσταση 2, το γινόμενο του όγκου και της πίεσης παραμένει σταθερό για ένα κλειστό σύστημα αερίων.
Ο νόμος που μελετήθηκε κάνει λόγο για αντίστροφη αναλογικότητα μεταξύ των τιμών του P και του V:
P=const / V.
Αυτό σημαίνει ότι το γράφημα της ισοθερμικής διεργασίας σε ένα ιδανικό αέριο θα είναι μια καμπύλη υπερβολής. Τρεις υπερβολές φαίνονται στο παρακάτω σχήμα.
Καθένα από αυτά ονομάζεται ισόθερμη. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία στο σύστημα, τόσο πιο μακριά από τους άξονες συντεταγμένων θα είναι η ισόθερμη. Από το παραπάνω σχήμα, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι το πράσινο αντιστοιχεί στην υψηλότερη θερμοκρασία στο σύστημα και το μπλε στη χαμηλότερη, με την προϋπόθεση ότι η ποσότητα της ουσίας και στα τρίασυστήματα είναι το ίδιο. Εάν όλες οι ισόθερμες του σχήματος είναι κατασκευασμένες για την ίδια θερμοκρασία, τότε αυτό σημαίνει ότι η πράσινη καμπύλη αντιστοιχεί στο μεγαλύτερο σύστημα ως προς την ποσότητα της ουσίας.
Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια κατά τη διάρκεια μιας ισοθερμικής διεργασίας
Στη φυσική των ιδανικών αερίων, η εσωτερική ενέργεια νοείται ως κινητική ενέργεια που σχετίζεται με την περιστροφική και μεταφορική κίνηση των μορίων. Από την κινητική θεωρία είναι εύκολο να ληφθεί ο ακόλουθος τύπος για την εσωτερική ενέργεια U:
U=z / 2nRT.
Όπου z είναι ο αριθμός των βαθμών ελεύθερης κίνησης των μορίων. Κυμαίνεται από 3 (μονατομικό αέριο) έως 6 (πολυατομικά μόρια).
Στην περίπτωση μιας ισοθερμικής διεργασίας, η θερμοκρασία παραμένει σταθερή, πράγμα που σημαίνει ότι ο μόνος λόγος για την αλλαγή της εσωτερικής ενέργειας είναι η έξοδος ή η άφιξη σωματιδίων ύλης στο σύστημα. Έτσι, σε κλειστά συστήματα, κατά τη διάρκεια μιας ισοθερμικής αλλαγής της κατάστασής τους, διατηρείται η εσωτερική ενέργεια.
Ισοβαρικές και ισοχωρικές διεργασίες
Εκτός από τον νόμο Boyle-Mariotte, υπάρχουν δύο ακόμη βασικοί νόμοι αερίων που ανακαλύφθηκαν επίσης πειραματικά. Φέρουν τα ονόματα των Γάλλων Charles και Gay-Lussac. Μαθηματικά, γράφονται ως εξής:
V / T=const όταν P=const;
P / T=const όταν V=const.
Ο νόμος του Charles λέει ότι κατά τη διάρκεια μιας ισοβαρικής διαδικασίας (P=const) ο όγκος εξαρτάται γραμμικά από την απόλυτη θερμοκρασία. Ο νόμος του Gay-Lussac υποδεικνύει μια γραμμική σχέση μεταξύ της πίεσης και της απόλυτης θερμοκρασίας στο ισοχορικόμετάβαση (V=const).
Από τις δεδομένες ισότητες προκύπτει ότι τα γραφήματα των ισοβαρών και ισοχωρικών μεταπτώσεων διαφέρουν σημαντικά από την ισοθερμική διεργασία. Εάν η ισόθερμη έχει σχήμα υπερβολής, τότε η ισοβαρή και η ισόχωρη είναι ευθείες γραμμές.
Ισοβαρική-ισοθερμική διεργασία
Όταν εξετάζουμε τους νόμους των αερίων, μερικές φορές ξεχνάμε ότι, εκτός από τις τιμές των T, P και V, η τιμή του n στον νόμο Clapeyron-Mendeleev μπορεί επίσης να αλλάξει. Αν διορθώσουμε την πίεση και τη θερμοκρασία, τότε παίρνουμε την εξίσωση της ισόβαρης-ισόθερμης μετάβασης:
n / V=Const όταν T=const, P=const.
Η γραμμική σχέση μεταξύ της ποσότητας της ουσίας και του όγκου υποδηλώνει ότι υπό τις ίδιες συνθήκες, διαφορετικά αέρια που περιέχουν την ίδια ποσότητα ουσίας καταλαμβάνουν ίσους όγκους. Για παράδειγμα, υπό κανονικές συνθήκες (0 oC, 1 ατμόσφαιρα), ο μοριακός όγκος οποιουδήποτε αερίου είναι 22,4 λίτρα. Ο εξεταζόμενος νόμος ονομάζεται αρχή του Avogadro. Βρίσκεται στη βάση του νόμου του D alton για τα ιδανικά μείγματα αερίων.
