Айналамыздағы материяның газ күйі - материяның үш кең таралған түрлерінің бірі. Физикада агрегацияның бұл сұйық күйі әдетте идеал газдың жуықтауында қарастырылады. Осы жуықтауды пайдалана отырып, біз мақалада газдардағы ықтимал изопроцестерді сипаттаймыз.
Идеал газ және оны сипаттайтын әмбебап теңдеу
Бөлшектерінің өлшемдері жоқ және бір-бірімен әрекеттеспейтін газ идеалды газ болып табылады. Бұл шарттарды дәл қанағаттандыратын бірде-бір газ жоқ екені анық, өйткені ең кішкентай атом - сутегінің өзі белгілі бір өлшемге ие. Сонымен қатар, бейтарап асыл газ атомдары арасында да әлсіз ван-дер-Ваальс әрекеттесу бар. Сонда сұрақ туындайды: қандай жағдайда газ бөлшектерінің өлшемдерін және олардың арасындағы өзара әрекеттесуді елемеуге болады? Бұл сұрақтың жауабы келесі физика-химиялық шарттарды сақтау болады:
- төмен қысым (шамамен 1 атмосфера және одан төмен);
- жоғары температура (шамамен бөлме температурасы және одан жоғары);
- молекулалар мен атомдардың химиялық инерттілігігаз.
Егер шарттардың кем дегенде біреуі орындалмаса, онда газ нақты деп есептеліп, арнайы Ван-дер-Ваальс теңдеуі арқылы сипатталуы керек.
Изопроцестерді зерттемес бұрын Менделеев-Клапейрон теңдеуін қарастыру керек. Идеал газ теңдеуі оның екінші аты. Оның келесі белгісі бар:
PV=nRT
Яғни, ол үш термодинамикалық параметрді байланыстырады: қысым P, температура T және V көлемі, сондай-ақ заттың n мөлшері. Мұндағы R таңбасы газ тұрақтысын білдіреді, ол 8,314 Дж / (Kмоль) тең.
Газдардағы изопроцестер дегеніміз не?
Бұл процестер газдың екі түрлі күйі (бастапқы және соңғы) арасындағы ауысулар ретінде түсініледі, нәтижесінде кейбір шамалар сақталады, ал басқалары өзгереді. Газдардағы изопроцесстің үш түрі бар:
- изотермиялық;
- изобарикалық;
- изохориялық.
Олардың барлығы 17 ғасырдың екінші жартысынан 19 ғасырдың 30-жылдарына дейінгі кезеңде тәжірибе жүзінде зерттеліп, сипатталғанын атап өткен жөн. Осы эксперименттік нәтижелерге сүйене отырып, Эмиль Клапейрон 1834 жылы газдар үшін әмбебап теңдеу шығарды. Бұл мақала керісінше құрастырылған – күй теңдеуін қолданып, идеал газдардағы изопроцестер формулаларын аламыз.
Тұрақты температурадағы ауысу
Оны изотермиялық процесс деп атайды. Идеал газ күйінің теңдеуінен тұйық жүйедегі тұрақты абсолютті температурада өнім тұрақты болып қалуы керек деген қорытынды шығады.қысымның көлемі, яғни:
PV=const
Бұл қатынасты 17 ғасырдың екінші жартысында Роберт Бойл мен Эдм Мариотта шынымен де байқаған, сондықтан қазіргі уақытта жазылған теңдік олардың атымен аталады.
Функционалдық тәуелділіктер P(V) немесе V(P), графикалық түрде көрсетілген, гиперболаға ұқсайды. Изотермиялық тәжірибе жүргізілетін температура неғұрлым жоғары болса, PV өнімі соғұрлым көп болады.
Изотермиялық процесте газ өзінің ішкі энергиясын өзгертпей жұмыс жасай отырып, кеңейеді немесе жиырылады.
Тұрақты қысымдағы ауысу
Енді қысым тұрақты болатын изобарлық процесті зерттейік. Мұндай ауысудың мысалы ретінде поршень астындағы газды қыздыру болып табылады. Қыздыру нәтижесінде бөлшектердің кинетикалық энергиясы артады, олар поршеньге жиі және үлкен күшпен соғыла бастайды, нәтижесінде газ кеңейеді. Кеңейту процесінде газ кейбір жұмыстарды орындайды, оның тиімділігі 40% (монатомды газ үшін).
Бұл изопроцесс үшін идеал газдың күй теңдеуі келесі қатынастың сақталуы керек екенін айтады:
V/T=const
Тұрақты қысым Клапейрон теңдеуінің оң жағына, ал температура сол жағына берілсе, оны алу оңай. Бұл теңдік Чарльз заңы деп аталады.
Теңдік V(T) және T(V) функциялары графиктердегі түзу сызықтар сияқты көрінетінін көрсетеді. Абсциссаға қатысты V(T) сызығының еңісі неғұрлым аз болса, қысым соғұрлым үлкен болады. P.
Тұрақты дыбыс деңгейінде ауысу
Біз мақалада қарастыратын газдардағы соңғы изопроцесс изохоралық ауысу болып табылады. Әмбебап Клапейрон теңдеуін пайдалана отырып, бұл ауысу үшін келесі теңдікті алу оңай:
P/T=const
Изохоралық ауысу Гей-Люссак заңымен сипатталады. Графикалық түрде P(T) және T(P) функциялары түзу болатынын көруге болады. Барлық үш изохоралық процестердің ішінде сыртқы жылуды беру есебінен жүйенің температурасын арттыру қажет болса, изохоралық процесс ең тиімді болып табылады. Бұл процесс кезінде газ жұмыс істемейді, яғни барлық жылу жүйенің ішкі энергиясын арттыруға бағытталады.
