Իդեալական գազ, վիճակի իդեալական գազի հավասարումը, նրա ջերմաստիճանը և ճնշումը, ծավալը… Ֆիզիկայի համապատասխան բաժնում օգտագործվող պարամետրերի և սահմանումների ցանկը կարելի է շարունակել բավականին երկար։ Այսօր մենք կխոսենք հենց այս թեմայի շուրջ։
Ի՞նչ է համարվում մոլեկուլային ֆիզիկայում:
Այս բաժնում դիտարկվող հիմնական օբյեկտը իդեալական գազն է: Գազի վիճակի իդեալական հավասարումը ստացվել է՝ հաշվի առնելով բնական միջավայրի պայմանները, և այս մասին կխոսենք մի փոքր ուշ։ Հիմա այս «խնդրին» մոտենանք հեռվից։
Ենթադրենք՝ ունենք գազի որոշակի զանգված։ Դրա վիճակը կարելի է որոշել՝ օգտագործելով թերմոդինամիկ բնույթի երեք պարամետր։ Դրանք են, իհարկե, ճնշումը, ծավալը և ջերմաստիճանը: Համակարգի վիճակի հավասարումը այս դեպքում կլինի համապատասխան պարամետրերի փոխհարաբերությունների բանաձեւը: Կարծես հետևյալն է՝ F (p, V, T)=0.
Ահա, առաջին անգամ մենք կամաց-կամաց մոտենում ենք իդեալական բանի առաջացմանը.գազ. Այն կոչվում է գազ, որտեղ մոլեկուլների փոխազդեցությունը աննշան է: Ընդհանրապես դա բնության մեջ գոյություն չունի։ Այնուամենայնիվ, ցանկացած շատ հազվադեպ գազ մոտ է դրան: Ազոտը, թթվածինը և օդը, որոնք գտնվում են նորմալ պայմաններում, քիչ են տարբերվում իդեալականից։ Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը գրելու համար կարող ենք օգտագործել գազի միասնական օրենքը: Մենք ստանում ենք՝ pV/T=const.
Հարակից հայեցակարգ 1. Ավոգադրոյի օրենքը
Նա կարող է մեզ ասել, որ եթե մենք վերցնենք նույն քանակությամբ մոլ բացարձակապես ցանկացած պատահական գազ և դրանք դնենք նույն պայմաններում, ներառյալ ջերմաստիճանը և ճնշումը, ապա գազերը կզբաղեցնեն նույն ծավալը: Մասնավորապես, փորձն իրականացվել է նորմալ պայմաններում։ Սա նշանակում է, որ ջերմաստիճանը եղել է 273,15 Կելվին, ճնշումը՝ մեկ մթնոլորտ (760 միլիմետր սնդիկ կամ 101325 Պասկալ)։ Այս պարամետրերով գազը զբաղեցրել է 22,4 լիտրի հավասար ծավալ։ Հետևաբար, մենք կարող ենք ասել, որ ցանկացած գազի մեկ մոլի համար թվային պարամետրերի հարաբերակցությունը կլինի հաստատուն արժեք: Այդ իսկ պատճառով որոշվեց այս ցուցանիշը նշանակել R տառով և այն անվանել գազի համընդհանուր հաստատուն։ Այսպիսով, այն հավասար է 8.31: Միավորը J/molK է։
Իդեալական գազ. Գազի վիճակի իդեալական հավասարումը և դրա մանիպուլյացիան
Փորձենք վերաշարադրել բանաձևը։ Դա անելու համար մենք այն գրում ենք այս ձևով՝ pV=RT: Հաջորդը, մենք կատարում ենք պարզ գործողություն, հավասարման երկու կողմերը բազմապատկում ենք կամայական թվով մոլերով: Մենք ստանում ենք pVu=uRT: Հաշվի առնենք այն փաստը, որ մոլային ծավալի արտադրյալը ևնյութի քանակը պարզապես ծավալն է: Բայց չէ՞ որ մոլերի թիվը միաժամանակ հավասար կլինի զանգվածի և մոլային զանգվածի գործակցին։ Հենց այսպիսի տեսք ունի Մենդելեև-Կլապեյրոն հավասարումը։ Այն հստակ պատկերացում է տալիս, թե ինչպիսի համակարգ է ձևավորվում իդեալական գազը: Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը կունենա ձև՝ pV=mRT/M։
Եզրակացրե՛ք ճնշման բանաձևը
Եկեք ևս մի քանի մանիպուլյացիա անենք ստացված արտահայտություններով։ Դրա համար Մենդելեև-Կլապեյրոն հավասարման աջ կողմը բազմապատկվում և բաժանվում է Ավոգադրոյի թվով։ Այժմ մենք ուշադիր նայում ենք նյութի քանակի արտադրյալին Ավոգադրոյի թվով: Սա ոչ այլ ինչ է, քան գազի մոլեկուլների ընդհանուր թիվը: Բայց միևնույն ժամանակ, համընդհանուր գազի հաստատունի հարաբերությունը Ավոգադրոյի թվին հավասար կլինի Բոլցմանի հաստատունին։ Հետևաբար, ճնշման բանաձևերը կարող են գրվել հետևյալ կերպ՝ p=NkT/V կամ p=nkT: Այստեղ n խորհրդանիշը մասնիկի կոնցենտրացիան է։
Իդեալական գազային գործընթացներ
Մոլեկուլային ֆիզիկայում գոյություն ունի այնպիսի բան, ինչպիսին է իզոպրոցեսները: Սրանք թերմոդինամիկական գործընթացներ են, որոնք տեղի են ունենում համակարգում հաստատուն պարամետրերից մեկով: Այս դեպքում նյութի զանգվածը նույնպես պետք է մշտական մնա։ Եկեք նրանց ավելի կոնկրետ նայենք: Այսպիսով, իդեալական գազի օրենքները։
Ճնշումը մնում է անփոփոխ
Սա Գեյ-Լյուսակի օրենքն է: Այն կարծես այսպիսին է՝ V/T=const. Այն կարելի է վերաշարադրել այլ կերպ՝ V=Vo (1 + at): Այստեղ a-ն հավասար է 1/273,15 K^-1-ի և կոչվում է «ծավալի ընդլայնման գործակից»։ Մենք կարող ենք ջերմաստիճանը փոխարինել ինչպես Ցելսիուսով, այնպես էլՔելվինի սանդղակը: Վերջին դեպքում մենք ստանում ենք V=Voat բանաձևը:
Ձայնը մնում է հաստատուն
Սա Գեյ-Լյուսակի երկրորդ օրենքն է, որն ավելի հաճախ կոչվում է Չարլզի օրենք: Կարծես հետևյալն է՝ p/T=const: Կա ևս մեկ ձևակերպում` p=po (1 + at): Փոխակերպումները կարող են իրականացվել նախորդ օրինակի համաձայն: Ինչպես տեսնում եք, իդեալական գազի օրենքները երբեմն բավականին նման են միմյանց:
Ջերմաստիճանը մնում է հաստատուն
Եթե իդեալական գազի ջերմաստիճանը մնում է հաստատուն, ապա մենք կարող ենք ստանալ Բոյլ-Մարիոտի օրենքը: Այն կարելի է գրել այսպես՝ pV=const.
Հարակից հայեցակարգ 2. մասնակի ճնշում
Ենթադրենք՝ գազերով անոթ ունենք։ Դա կլինի խառնուրդ: Համակարգը գտնվում է ջերմային հավասարակշռության վիճակում, և գազերն իրենք չեն փոխազդում միմյանց հետ։ Այստեղ N-ը կնշանակի մոլեկուլների ընդհանուր թիվը: N1, N2 և այլն, համապատասխանաբար, խառնուրդի յուրաքանչյուր բաղադրիչի մոլեկուլների քանակը: Վերցնենք ճնշման բանաձևը p=nkT=NkT/V: Այն կարող է բացվել կոնկրետ դեպքի համար։ Երկու բաղադրիչ խառնուրդի համար բանաձևը կունենա ձև՝ p=(N1 + N2) kT/V: Բայց հետո պարզվում է, որ ընդհանուր ճնշումը կամփոփվի յուրաքանչյուր խառնուրդի մասնակի ճնշումներից։ Այսպիսով, այն կունենա p1 + p2 և այլն: Սրանք կլինեն մասնակի ճնշումները։
Ինչի՞ համար է այն
Մեր ստացած բանաձևը ցույց է տալիս, որ ճնշումը համակարգում մոլեկուլների յուրաքանչյուր խմբից է: Ի դեպ, դա կախված չէմյուսները. Դալթոնն օգտվել է դրանից, երբ ձևակերպել է օրենքը, որը հետագայում կոչվել է իր անունով. մի խառնուրդում, որտեղ գազերը քիմիապես չեն փոխազդում միմյանց հետ, ընդհանուր ճնշումը հավասար կլինի մասնակի ճնշումների գումարին։
