Бөлшектердің кинетикалық энергиясы олардың потенциалдық әсерлесу энергиясынан көп асатын заттың агрегаттық күйі газ деп аталады. Мұндай заттардың физикасы орта мектепте қарастырыла бастады. Бұл сұйық заттың математикалық сипаттамасының негізгі мәселесі идеал газдың күй теңдеуі болып табылады. Оны мақалада егжей-тегжейлі қарастырамыз.
Идеал газ және оның нақты газдан айырмашылығы
Өздеріңіз білетіндей, кез келген газ күйі оның құрамдас молекулалары мен атомдарының әртүрлі жылдамдықтарымен хаотикалық қозғалысымен сипатталады. Нақты газдарда, мысалы, ауада, бөлшектер бір-бірімен бір немесе басқа жолмен әрекеттеседі. Негізінен, бұл өзара әрекеттесу ван дер Ваальс сипатына ие. Алайда, егер газ жүйесінің температуралары жоғары болса (бөлме температурасы және одан жоғары) және қысым үлкен емес болса (атмосфераға сәйкес), онда ван-дер-Ваальс әрекеттесулері соншалықты аз, сондықтан олар емес.бүкіл газ жүйесінің макроскопиялық әрекетіне әсер етеді. Бұл жағдайда олар идеал туралы айтады.
Жоғарыда келтірілген ақпаратты бір анықтамаға біріктіре отырып, идеал газды бөлшектер арасында өзара әрекеттесу жоқ жүйе деп айта аламыз. Бөлшектердің өзі өлшемсіз, бірақ белгілі бір массаға ие, ал бөлшектердің ыдыс қабырғаларымен соқтығысуы серпімді болады.
Адам күнделікті өмірде кездесетін барлық газдарды іс жүзінде (ауа, газ плиталарындағы табиғи метан, су буы) көптеген практикалық мәселелер үшін қанағаттанарлық дәлдікпен идеалды деп санауға болады.
Физикадағы идеал газ күй теңдеуінің пайда болуының алғы шарттары
Адамзат XVII-XIX ғасырларда материяның газ күйін ғылыми тұрғыдан белсенді түрде зерттеді. Изотермиялық процесті сипаттайтын бірінші заң V жүйенің көлемі мен ондағы қысым Р арасындағы келесі қатынас болды:
Роберт Бойл және Эдме Мариотт тәжірибе жүзінде ашқан.
PV=const, T=const бар
17 ғасырдың екінші жартысында әртүрлі газдармен тәжірибе жасай отырып, аталған ғалымдар қысымның көлемге тәуелділігі әрқашан гипербола түрінде болатынын анықтады.
Содан кейін 18 ғасырдың аяғы – 19 ғасырдың басында француз ғалымдары Шарль және Гей-Люссак изобарлық және изохоралық процестерді математикалық түрде сипаттайтын тағы екі газ заңын тәжірибе жүзінде ашты. Төменде екі заң да берілген:
- V / T=const, P=const кезде;
- P / T=const, бар V=const.
Екі теңдік те сәйкесінше тұрақты қысым мен көлемді сақтай отырып, газ көлемі мен температура арасындағы, сондай-ақ қысым мен температура арасындағы тура пропорционалдылықты көрсетеді.
Идеал газ күйінің теңдеуін құрастырудың тағы бір алғы шарты 1910 жылдары Амедео Авагадроның келесі қатынасты ашуы болды:
n / V=const, T бар, P=const
Итальяндықтар n затының мөлшерін арттырса, онда тұрақты температура мен қысымда көлем сызықты түрде өсетінін тәжірибе жүзінде дәлелдеді. Ең таңғаларлығы бірдей қысымдар мен температурадағы табиғаты әртүрлі газдар, егер олардың саны сәйкес келсе, бірдей көлемді алады.
Клапейрон-Менделеев заңы
19 ғасырдың 30-жылдары француз Эмиль Клапейрон идеал газдың күй теңдеуін берген еңбегін жариялады. Ол қазіргі формадан сәл өзгеше болды. Атап айтқанда, Клапейрон өзінің предшественниктері эксперименттік түрде өлшенген белгілі бір тұрақтыларды қолданды. Бірнеше онжылдықтардан кейін біздің отандасымыз Д. И. Менделеев Клапейрон тұрақтыларын жалғызға - әмбебап газ тұрақтысы R-мен ауыстырды. Нәтижесінде әмбебап теңдеу қазіргі заманғы түрге ие болды:
PV=nRT
Бұл жоғарыда мақалада жазылған газ заңдарының формулаларының қарапайым тіркесімі екенін болжау оңай.
Бұл өрнектегі тұрақты R өте ерекше физикалық мағынаға ие. Ол 1 моль жасайтын жұмысты көрсетеді.газ, егер ол температураның 1 келвинге жоғарылауымен кеңейсе (R=8,314 Дж / (мольК)).
Әмбебап теңдеудің басқа түрлері
Идеал газдың әмбебап күй теңдеуінің жоғарыдағы түрінен басқа, басқа шамаларды пайдаланатын күй теңдеулері де бар. Төменде олар:
- PV=m / MRT;
- PV=NkB T;
- P=ρRT / M.
Бұл теңдіктерде m – идеал газдың массасы, N – жүйедегі бөлшектердің саны, ρ – газдың тығыздығы, M – молярлық массаның мәні.
Жоғарыда жазылған формулалар барлық физикалық шамалар үшін SI бірліктері пайдаланылған жағдайда ғана жарамды екенін еске түсіріңіз.
Мысалы мәселе
Қажетті теориялық ақпаратты алғаннан кейін біз келесі мәселені шешеміз. Таза азот 1,5 атм қысымда болады. көлемі 70 литр болатын цилиндрде. Идеал газдың 50 °С температурада екені белгілі болса, оның моль санын және оның массасын анықтау керек.
Алдымен SI жүйесіндегі барлық өлшем бірліктерін жазып алайық:
1) P=1,5101325=151987,5 Па;
2) V=7010-3=0,07 м3;
3) T=50 + 273, 15=323, 15 K.
Енді бұл мәліметтерді Клапейрон-Менделеев теңдеуіне ауыстырамыз, зат мөлшерінің мәнін аламыз:
n=PV / (RT)=151987,50,07 / (8,314323,15)=3,96 моль
Азоттың массасын анықтау үшін оның химиялық формуласын есте сақтап, мәнін көру керек.осы элементтің периодтық кестедегі молярлық массасы:
M(N2)=142=0,028 кг/моль.
Газдың массасы:
болады
m=nM=3,960,028=0,111 кг
Осылайша, шардағы азот мөлшері 3,96 моль, оның массасы 111 грамм.
