Գազային համակարգերի թերմոդինամիկայի ուսումնասիրության հիմնական առարկան թերմոդինամիկական վիճակների փոփոխությունն է։ Նման փոփոխությունների արդյունքում գազը կարող է աշխատանք կատարել և պահպանել ներքին էներգիան։ Ստորև բերված հոդվածում ուսումնասիրենք իդեալական գազի տարբեր թերմոդինամիկական անցումներ: Առանձնահատուկ ուշադրություն է դարձվելու իզոթերմային գործընթացի գրաֆիկի ուսումնասիրությանը։
Իդեալական գազեր
Դատելով հենց անվանումից՝ կարելի է ասել, որ 100% իդեալական գազեր բնության մեջ գոյություն չունեն։ Այնուամենայնիվ, շատ իրական նյութեր բավարարում են այս հայեցակարգը գործնական ճշգրտությամբ:
Իդեալական գազը ցանկացած գազ է, որի մասնիկների և դրանց չափերի փոխազդեցությունը կարող է անտեսվել: Երկու պայմաններն էլ բավարարվում են միայն այն դեպքում, եթե մոլեկուլների կինետիկ էներգիան շատ ավելի մեծ կլինի, քան նրանց միջև եղած կապերի պոտենցիալ էներգիան, և մոլեկուլների միջև հեռավորությունները շատ ավելի մեծ կլինեն, քան մասնիկի չափը:
Որպեսզի որոշի, թե որն էԵթե ուսումնասիրվող գազը իդեալական է, կարող եք օգտագործել մի պարզ կանոն. եթե համակարգում ջերմաստիճանը բարձր է սենյակային ջերմաստիճանից, ճնշումը շատ չի տարբերվում մթնոլորտային ճնշումից կամ դրանից պակաս, և համակարգը կազմող մոլեկուլներից։ քիմիապես իներտ են, այդ դեպքում գազը կլինի իդեալական։
Գլխավոր օրենք
Խոսքը գազի իդեալական հավասարման մասին է, որը կոչվում է նաև Կլապեյրոն-Մենդելեև օրենք։ Այս հավասարումը գրվել է XIX դարի 30-ական թվականներին ֆրանսիացի ինժեներ և ֆիզիկոս Էմիլ Կլապեյրոնի կողմից։ Մի քանի տասնամյակ անց ռուս քիմիկոս Մենդելեևը այն հասցրեց իր ժամանակակից ձևին։ Այս հավասարումն ունի հետևյալ տեսքը՝
PV=nRT.
Հավասարման ձախ կողմում P ճնշման և V ծավալի արտադրյալն է, հավասարման աջ կողմում՝ T ջերմաստիճանի և n նյութի քանակի արտադրյալը։ R-ը գազի համընդհանուր հաստատունն է: Նշենք, որ T-ն բացարձակ ջերմաստիճանն է, որը չափվում է Կելվիններով։
Կլապեյրոն-Մենդելեևի օրենքը սկզբում ստացվել է գազի նախորդ օրենքների արդյունքներից, այսինքն՝ այն հիմնված էր բացառապես փորձարարական հիմքի վրա։ Ժամանակակից ֆիզիկայի և հեղուկների կինետիկ տեսության զարգացման շնորհիվ գազի իդեալական հավասարումը կարող է ստացվել՝ հաշվի առնելով համակարգի մասնիկների մանրադիտակային վարքը:
Իզոթերմային գործընթաց
Անկախ նրանից՝ այս գործընթացը տեղի է ունենում գազերում, հեղուկներում, թե պինդ մարմիններում, այն ունի շատ հստակ սահմանում: Իզոթերմալ անցումը անցում է երկու վիճակների միջև, որոնցում առկա է համակարգի ջերմաստիճանըպահպանված, այսինքն՝ մնում է անփոփոխ։ Հետևաբար, իզոթերմային գործընթացի գրաֆիկը ժամանակի առանցքներում (x առանցք) - ջերմաստիճան (y առանցք) կլինի հորիզոնական գիծ։
Իդեալական գազի վերաբերյալ մենք նշում ենք, որ դրա իզոթերմային անցումը կոչվում է Բոյլ-Մարիոտի օրենք: Այս օրենքը հայտնաբերվել է փորձարարական ճանապարհով։ Ավելին, նա դարձավ առաջինն այս ոլորտում (XVII դարի երկրորդ կես)։ Այն կարող է ստանալ յուրաքանչյուր ուսանող, եթե նա դիտարկի գազի պահվածքը փակ համակարգում (n=const) հաստատուն ջերմաստիճանում (T=const): Օգտագործելով վիճակի հավասարումը, մենք ստանում ենք՝
nRT=const=>
PV=Const.
Վերջին հավասարությունը Բոյլ-Մարիոտի օրենքն է: Ֆիզիկայի դասագրքերում կարող եք գտնել նաև գրելու այս ձևը՝
P1 V1=P2 V 2.
Իզոթերմալ վիճակից 1-ին թերմոդինամիկ վիճակ 2-ին անցման ժամանակ ծավալի և ճնշման արտադրյալը մնում է հաստատուն փակ գազային համակարգի համար:
Ուսումնասիրված օրենքը խոսում է P-ի և V-ի արժեքների հակադարձ համեմատության մասին:
P=Const / V.
Սա նշանակում է, որ իդեալական գազում իզոթերմային գործընթացի գրաֆիկը կլինի հիպերբոլայի կոր: Ստորև բերված նկարում ներկայացված են երեք հիպերբոլաներ:
Դրանցից յուրաքանչյուրը կոչվում է իզոթերմ: Որքան բարձր լինի ջերմաստիճանը համակարգում, այնքան կոորդինատային առանցքներից հեռու կլինի իզոթերմը: Վերևի նկարից կարող ենք եզրակացնել, որ կանաչը համապատասխանում է համակարգի ամենաբարձր ջերմաստիճանին, իսկ կապույտը՝ ամենացածրին՝ պայմանով, որ նյութի քանակությունը բոլոր երեքումհամակարգերը նույնն են. Եթե նկարի բոլոր իզոթերմները կառուցված են նույն ջերմաստիճանի համար, ապա դա նշանակում է, որ կանաչ կորը նյութի քանակով համապատասխանում է ամենամեծ համակարգին։
Ներքին էներգիայի փոփոխություն իզոթերմային գործընթացի ժամանակ
Իդեալական գազերի ֆիզիկայում ներքին էներգիան հասկացվում է որպես կինետիկ էներգիա՝ կապված մոլեկուլների պտտման և փոխակերպման շարժման հետ։ Կինետիկ տեսությունից հեշտ է ստանալ U ներքին էներգիայի հետևյալ բանաձևը՝
U=z / 2nRT.
Որտեղ z-ը մոլեկուլների ազատ շարժման աստիճանների թիվն է: Այն տատանվում է 3-ից (միատոմ գազ) մինչև 6 (բազմատոմային մոլեկուլներ):
Իզոթերմային գործընթացի դեպքում ջերմաստիճանը մնում է հաստատուն, ինչը նշանակում է, որ ներքին էներգիայի փոփոխության միակ պատճառը նյութի մասնիկների ելքն է կամ մուտքը համակարգ։ Այսպիսով, փակ համակարգերում իրենց վիճակի իզոթերմային փոփոխության ժամանակ ներքին էներգիան պահպանվում է։
Իզոբարային և իզոխորիկ գործընթացներ
Բոյլ-Մարիոտի օրենքից բացի, կան ևս երկու հիմնական գազային օրենքներ, որոնք նույնպես հայտնաբերվել են փորձարարական ճանապարհով: Նրանք կրում են ֆրանսիացի Շառլ և Գեյ-Լյուսակի անունները։ Մաթեմատիկորեն դրանք գրված են այսպես՝
V / T=const երբ P=const;
P / T=const երբ V=const.
Չարլզի օրենքը ասում է, որ իզոբարային գործընթացի ժամանակ (P=const) ծավալը գծայինորեն կախված է բացարձակ ջերմաստիճանից: Գեյ-Լյուսակի օրենքը ցույց է տալիս գծային հարաբերություն ճնշման և բացարձակ ջերմաստիճանի միջև իզոխորիկ վիճակումանցում (V=const).
Տրված հավասարություններից բխում է, որ իզոբարային և իզոխորիկ անցումների գրաֆիկները էապես տարբերվում են իզոթերմային գործընթացից։ Եթե իզոթերմն ունի հիպերբոլայի ձև, ապա իզոբարն ու իզոխորը ուղիղ գծեր են։
Իզոբար-իզոթերմալ գործընթաց
Գազային օրենքները դիտարկելիս երբեմն մոռանում է, որ բացի T, P և V արժեքներից, Կլապեյրոն-Մենդելեևի օրենքում n-ի արժեքը նույնպես կարող է փոխվել: Եթե ֆիքսենք ճնշումը և ջերմաստիճանը, ապա կստանանք իզոբար-իզոթերմ անցման հավասարումը`
n / V=Const, երբ T=Const, P=Const:
Նյութի քանակի և ծավալի միջև գծային կապը հուշում է, որ միևնույն պայմաններում նույն քանակությամբ նյութ պարունակող տարբեր գազերը հավասար ծավալներ են զբաղեցնում: Օրինակ՝ նորմալ պայմաններում (0 oC, 1 մթնոլորտ) ցանկացած գազի մոլային ծավալը 22,4 լիտր է։ Դիտարկված օրենքը կոչվում է Ավոգադրոյի սկզբունք։ Այն ընկած է իդեալական գազային խառնուրդների Դալթոնի օրենքի հիմքում։
