Газ жүйелерінің термодинамикасын зерттеудің негізгі пәні термодинамикалық күйлердің өзгеруі болып табылады. Осындай өзгерістердің нәтижесінде газ жұмыс істеп, ішкі энергияны сақтай алады. Төмендегі мақалада идеал газдағы әртүрлі термодинамикалық ауысуларды қарастырайық. Изотермиялық процестің графигін зерттеуге ерекше назар аударылады.
Идеал газдар
Атына қарап, 100% идеалды газдар табиғатта жоқ деп айта аламыз. Дегенмен, көптеген нақты заттар бұл тұжырымдаманы практикалық дәлдікпен қанағаттандырады.
Идеал газ деп оның бөлшектері мен өлшемдері арасындағы өзара әрекеттесулерді елемеуге болатын кез келген газды айтады. Екі шарт та молекулалардың кинетикалық энергиясы олардың арасындағы байланыстардың потенциалдық энергиясынан әлдеқайда көп болса және молекулалар арасындағы қашықтық бөлшектердің өлшемінен әлдеқайда үлкен болса ғана орындалады.
Қайсысы екенін анықтау үшінЗерттелетін газ идеалды болса, қарапайым ережені қолдануға болады: жүйедегі температура бөлме температурасынан жоғары болса, қысым атмосфералық қысымнан онша ерекшеленбейді немесе одан аз және жүйені құрайтын молекулалар. химиялық инертті болса, газ идеалды болады.
Негізгі заң
Біз идеал газ теңдеуі туралы айтып отырмыз, оны Клапейрон-Менделеев заңы деп те атайды. Бұл теңдеуді ХІХ ғасырдың 30-жылдары француз инженері және физигі Эмиль Клапейрон жазып алған. Бірнеше онжылдықтардан кейін орыс химигі Менделеев оны қазіргі заманғы түріне әкелді. Бұл теңдеу келесідей көрінеді:
PV=nRT.
Теңдеудің сол жағында P қысымы мен V көлемінің көбейтіндісі, оң жағында T температура мен n зат мөлшерінің көбейтіндісі берілген. R – әмбебап газ тұрақтысы. T - Кельвинмен өлшенетін абсолютті температура екенін ескеріңіз.
Клапейрон-Менделеев заңы алғаш рет алдыңғы газ заңдарының нәтижелерінен алынды, яғни ол тек тәжірибелік негізге негізделген. Қазіргі физиканың және сұйықтықтардың кинетикалық теориясының дамуымен идеал газ теңдеуін жүйе бөлшектерінің микроскопиялық әрекетін қарастыру арқылы алуға болады.
Изотермиялық процесс
Бұл процесс газдарда, сұйықтарда немесе қатты заттарда болатынына қарамастан, оның өте нақты анықтамасы бар. Изотермиялық ауысу - жүйенің температурасы болатын екі күй арасындағы ауысусақталады, яғни өзгеріссіз қалады. Демек, уақыт (x осі) – температура (у осі) осьтеріндегі изотермиялық процестің графигі көлденең сызық болады.
Идеал газға келетін болсақ, оның изотермиялық ауысуы Бойль-Мариот заңы деп аталатынын ескереміз. Бұл заң эксперименталды түрде ашылды. Оның үстіне ол осы салада бірінші (17 ғ. екінші жартысы) болды. Оны әрбір студент газдың тұйық жүйедегі әрекетін (n=const) тұрақты температурада (T=const) қарастырса, ала алады. Күй теңдеуін пайдаланып, мынаны аламыз:
nRT=const=>
PV=тұрақты.
Соңғы теңдік – Бойль-Мариот заңы. Физика оқулықтарында оны жазудың мына түрін де табуға болады:
P1 V1=P2 V 2.
1-изотермиялық күйден 2-термодинамикалық күйге көшу кезінде тұйық газ жүйесі үшін көлем мен қысымның көбейтіндісі тұрақты болып қалады.
Зерттелетін заң P және V мәндері арасындағы кері пропорционалдық туралы айтады:
P=const / V.
Бұл идеал газдағы изотермиялық процестің графигі гипербола қисығы болатынын білдіреді. Төмендегі суретте үш гипербола көрсетілген.
Олардың әрқайсысы изотерма деп аталады. Жүйедегі температура неғұрлым жоғары болса, соғұрлым изотерма координаталық осьтерден алыс болады. Жоғарыдағы суреттен жасыл түс жүйедегі ең жоғары температураға, ал көк түс ең төменгі температураға сәйкес келеді, бұл үшеуінде де зат мөлшері болған жағдайда.жүйелер бірдей. Суреттегі барлық изотермалар бірдей температура үшін салынған болса, бұл жасыл қисық заттың мөлшері бойынша ең үлкен жүйеге сәйкес келетінін білдіреді.
Изотермиялық процесс кезінде ішкі энергияның өзгеруі
Идеал газдар физикасында ішкі энергия молекулалардың айналмалы және ілгерілемелі қозғалысымен байланысты кинетикалық энергия ретінде түсініледі. Кинетикалық теориядан ішкі энергия U үшін келесі формуланы алу оңай:
U=z / 2nRT.
Мұндағы z - молекулалардың еркін қозғалу дәрежелерінің саны. Ол 3 (монатомды газ) мен 6 (көп атомды молекулалар) аралығында болады.
Изотермиялық процесс кезінде температура тұрақты болып қалады, яғни ішкі энергияның өзгеруінің бірден-бір себебі жүйеге зат бөлшектерінің шығуы немесе келуі болып табылады. Осылайша, тұйық жүйелерде олардың күйінің изотермиялық өзгеруі кезінде ішкі энергия сақталады.
Изобарлық және изохоралық процестер
Бойль-Мариотт заңынан басқа тағы екі негізгі газ заңы бар, олар да тәжірибе жүзінде ашылған. Олар француз Шарль және Гей-Люссак есімдерін алып жүр. Математикалық түрде олар былай жазылған:
V / T=const кезінде P=const;
P / T=V=тұрақты болғанда тұрақты.
Чарльз заңы изобарлық процесс кезінде (P=const) көлемнің абсолютті температураға сызықтық тәуелді екенін айтады. Гей-Люссак заңы изохоралық қысым мен абсолютті температура арасындағы сызықтық байланысты көрсетедіауысу (V=const).
Берілген теңдіктерден изобарлық және изохоралық ауысулардың графиктерінің изотермиялық процесстен айтарлықтай айырмашылығы бар екені шығады. Егер изотерма гипербола пішініне ие болса, изобар мен изохора түзу сызықтар болады.
Изобарлық-изотермиялық процесс
Газ заңдарын қарастырғанда, кейде T, P және V мәндерінен басқа, Клапейрон-Менделеев заңындағы n мәні де өзгеруі мүмкін екені ұмытылады. Егер қысым мен температураны түзетсек, онда изобарлық-изотермиялық ауысу теңдеуін аламыз:
n / V=const кезінде T=const, P=const.
Заттың мөлшері мен көлемінің арасындағы сызықтық қатынас бірдей жағдайда бірдей мөлшердегі затты қамтитын әртүрлі газдар бірдей көлемдегі көлемді алады деп болжайды. Мысалы, қалыпты жағдайда (0 oC, 1 атмосфера) кез келген газдың молярлық көлемі 22,4 литр. Қарастырылған заң Авогадро принципі деп аталады. Ол Дальтонның идеал газ қоспалары заңының негізінде жатыр.
