Η αέρια κατάσταση της ύλης γύρω μας είναι μία από τις τρεις κοινές μορφές ύλης. Στη φυσική, αυτή η ρευστή κατάσταση συσσωμάτωσης θεωρείται συνήθως κατά την προσέγγιση ενός ιδανικού αερίου. Χρησιμοποιώντας αυτήν την προσέγγιση, περιγράφουμε στο άρθρο πιθανές ισοδιεργασίες στα αέρια.
Ιδανικό αέριο και η καθολική εξίσωση για την περιγραφή του
Ιδανικό αέριο είναι εκείνο του οποίου τα σωματίδια δεν έχουν διαστάσεις και δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Προφανώς δεν υπάρχει ούτε ένα αέριο που να ικανοποιεί επακριβώς αυτές τις προϋποθέσεις, αφού ακόμη και το μικρότερο άτομο – υδρογόνο, έχει συγκεκριμένο μέγεθος. Επιπλέον, ακόμη και μεταξύ ουδέτερων ατόμων ευγενούς αερίου, υπάρχει μια ασθενής αλληλεπίδραση van der Waals. Τότε τίθεται το ερώτημα: σε ποιες περιπτώσεις μπορεί να παραμεληθεί το μέγεθος των σωματιδίων αερίου και η μεταξύ τους αλληλεπίδραση; Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα θα είναι η τήρηση των παρακάτω φυσικοχημικών συνθηκών:
- χαμηλή πίεση (περίπου 1 ατμόσφαιρα και κάτω);
- υψηλές θερμοκρασίες (περίπου θερμοκρασία δωματίου και άνω);
- χημική αδράνεια μορίων και ατόμωναέριο.
Εάν δεν πληρούται τουλάχιστον μία από τις προϋποθέσεις, τότε το αέριο πρέπει να θεωρείται πραγματικό και να περιγράφεται από μια ειδική εξίσωση van der Waals.
Η εξίσωση Mendeleev-Clapeyron πρέπει να ληφθεί υπόψη πριν μελετηθούν οι ισοδιεργασίες. Η εξίσωση ιδανικού αερίου είναι το δεύτερο όνομά της. Έχει την ακόλουθη σημείωση:
PV=nRT
Δηλαδή, συνδέει τρεις θερμοδυναμικές παραμέτρους: πίεση P, θερμοκρασία T και όγκο V, καθώς και την ποσότητα n της ουσίας. Το σύμβολο R εδώ υποδηλώνει τη σταθερά του αερίου, είναι ίση με 8,314 J / (Kmol).
Τι είναι οι ισοδιεργασίες στα αέρια;
Αυτές οι διεργασίες νοούνται ως μεταβάσεις μεταξύ δύο διαφορετικών καταστάσεων του αερίου (αρχική και τελική), ως αποτέλεσμα των οποίων ορισμένες ποσότητες διατηρούνται και άλλες αλλάζουν. Υπάρχουν τρεις τύποι ισοδιαδικασίας στα αέρια:
- ισοθερμικό;
- ισοβαρικό;
- ισοχωρικό.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι όλα μελετήθηκαν και περιγράφηκαν πειραματικά στην περίοδο από το δεύτερο μισό του 17ου αιώνα έως τη δεκαετία του '30 του 19ου αιώνα. Με βάση αυτά τα πειραματικά αποτελέσματα, ο Émile Clapeyron το 1834 εξήγαγε μια εξίσωση που είναι καθολική για τα αέρια. Αυτό το άρθρο έχει κατασκευαστεί αντίστροφα - εφαρμόζοντας την εξίσωση κατάστασης, λαμβάνουμε τύπους για ισοδιεργασίες σε ιδανικά αέρια.
Μετάβαση σε σταθερή θερμοκρασία
Ονομάζεται ισοθερμική διαδικασία. Από την εξίσωση κατάστασης ενός ιδανικού αερίου, προκύπτει ότι σε σταθερή απόλυτη θερμοκρασία σε ένα κλειστό σύστημα, το προϊόν πρέπει να παραμένει σταθερόόγκος σε πίεση, π.χ.:
PV=const
Αυτή η σχέση παρατηρήθηκε πράγματι από τον Robert Boyle και τον Edm Mariotte στο δεύτερο μισό του 17ου αιώνα, επομένως η ισότητα που καταγράφεται σήμερα φέρει τα ονόματά τους.
Οι συναρτησιακές εξαρτήσεις P(V) ή V(P), που εκφράζονται γραφικά, μοιάζουν με υπερβολές. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία στην οποία διεξάγεται το ισοθερμικό πείραμα, τόσο μεγαλύτερο είναι το γινόμενο PV.
Σε μια ισοθερμική διεργασία, ένα αέριο διαστέλλεται ή συστέλλεται, κάνοντας εργασία χωρίς να αλλάζει η εσωτερική του ενέργεια.
Μετάβαση σε σταθερή πίεση
Τώρα ας μελετήσουμε την ισοβαρική διαδικασία, κατά την οποία η πίεση διατηρείται σταθερή. Ένα παράδειγμα τέτοιας μετάβασης είναι η θέρμανση του αερίου κάτω από το έμβολο. Ως αποτέλεσμα της θέρμανσης, η κινητική ενέργεια των σωματιδίων αυξάνεται, αρχίζουν να χτυπούν το έμβολο πιο συχνά και με μεγαλύτερη δύναμη, με αποτέλεσμα το αέριο να διαστέλλεται. Κατά τη διαδικασία διαστολής, το αέριο εκτελεί κάποια εργασία, η απόδοση της οποίας είναι 40% (για ένα μονοατομικό αέριο).
Για αυτήν την ισοδιεργασία, η εξίσωση κατάστασης για ένα ιδανικό αέριο λέει ότι πρέπει να ισχύει η ακόλουθη σχέση:
V/T=const
Είναι εύκολο να το αποκτήσετε εάν η σταθερή πίεση μεταφέρεται στη δεξιά πλευρά της εξίσωσης Clapeyron και η θερμοκρασία - στα αριστερά. Αυτή η ισότητα ονομάζεται νόμος του Καρόλου.
Η ισότητα υποδηλώνει ότι οι συναρτήσεις V(T) και T(V) μοιάζουν με ευθείες γραμμές στα γραφήματα. Η κλίση της γραμμής V(T) σε σχέση με την τετμημένη θα είναι όσο μικρότερη, τόσο μεγαλύτερη είναι η πίεσηP.
Μετάβαση σε σταθερή ένταση
Η τελευταία ισοδιεργασία στα αέρια, την οποία θα εξετάσουμε στο άρθρο, είναι η ισοχορική μετάβαση. Χρησιμοποιώντας την καθολική εξίσωση Clapeyron, είναι εύκολο να ληφθεί η ακόλουθη ισότητα για αυτήν τη μετάβαση:
P/T=const
Η ισοχορική μετάβαση περιγράφεται από τον νόμο Gay-Lussac. Μπορεί να φανεί ότι γραφικά οι συναρτήσεις P(T) και T(P) θα είναι ευθείες γραμμές. Μεταξύ και των τριών ισοχορικών διεργασιών, η ισοχορική είναι η πιο αποτελεσματική εάν είναι απαραίτητο να αυξηθεί η θερμοκρασία του συστήματος λόγω της παροχής εξωτερικής θερμότητας. Κατά τη διάρκεια αυτής της διαδικασίας, το αέριο δεν λειτουργεί, δηλαδή όλη η θερμότητα θα κατευθυνθεί στην αύξηση της εσωτερικής ενέργειας του συστήματος.
