Газдар термодинамика тұрғысынан макроскопиялық сипаттамалар жиынтығымен сипатталады, олардың негізгілері температура, қысым және көлем. Осы параметрлердің біреуінің тұрақтылығы және қалған екеуінің өзгеруі газда сол немесе басқа изопроцестердің жүретінін көрсетеді. Бұл мақаланы біз бұл изохоралық процесс, оның газ жүйесінің күйлеріндегі изотермиялық және изобарлық өзгерістерден қалай айырмашылығы бар деген сұрақтарға толық жауап беруге арнаймыз.
Физикадағы тамаша газ
Бұл изохоралық процесс деген сұраққа жауап бермес бұрын, идеал газ түсінігімен жақсырақ танысу керек. Физикада оны құрайтын бөлшектердің орташа кинетикалық энергиясы олардың өзара әрекеттесуінің потенциалдық энергиясынан әлдеқайда жоғары болатын және бұл бөлшектердің арасындағы қашықтық олардың сызықтық өлшемдерінен бірнеше рет үлкен болатын кез келген газды түсінеді. Белгіленген шарттарда орындау кезінде мүмкін боладыесептеулер бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесу энергиясын есепке алмайды (ол нөлге тең), сонымен қатар бөлшектер белгілі бір массасы m болатын материалдық нүктелер деп болжауға болады.
Идеал газда болатын жалғыз процесс – бөлшектердің заты бар ыдыстың қабырғаларымен соқтығысуы. Бұл соқтығыстар іс жүзінде газда белгілі бір қысымның болуы ретінде көрінеді P.
Ереже бойынша салыстырмалы түрде химиялық инертті молекулалардан тұратын және төмен қысымы мен жоғары температурасы бар кез келген газ тәрізді затты практикалық есептеулер үшін жеткілікті дәлдікпен идеал газ деп санауға болады.
Идеал газды сипаттайтын теңдеу
Әрине, біз Клапейрон-Менделеевтің әмбебап заңы туралы айтып отырмыз, мұның изохоралық процесс екенін түсіну үшін оны жақсы түсіну керек. Сонымен, күйдің әмбебап теңдеуінің келесі формасы бар:
PV=nRT.
Яғни қысым Р мен газ көлемінің V көбейтіндісі абсолютті температура T мен заттың n мольдегі мөлшерінің көбейтіндісіне тең, мұндағы R пропорционалдық коэффициенті. Теңдеудің өзін алғаш рет 1834 жылы Эмиль Клапейрон жазған, ал 19 ғасырдың 70-жылдарында Д. Менделеев онда бір әмбебап газ тұрақтысының R (8,314 Дж/(мольК) тұрақты мәндерінің жиынын ауыстырған.)).
Клапейрон-Менделеев теңдеуіне сәйкес тұйық жүйеде газ бөлшектерінің саны тұрақты болып қалады, сондықтан өзгеретін тек үш макроскопиялық параметр бар (T, Pжәне V). Соңғы факт төменде талқыланатын әртүрлі изопроцесстерді түсінудің негізінде жатыр.
Изохоралық процесс дегеніміз не?
Бұл процесс жүйе күйінің абсолютті кез келген өзгерісі ретінде түсініледі, онда оның көлемі сақталады.
Егер әмбебап күй теңдеуіне жүгінетін болсақ, изохоралық процесте газдағы қысым мен абсолютті температура ғана өзгереді деп айта аламыз. Термодинамикалық параметрлердің дәл қалай өзгеретінін түсіну үшін сәйкес математикалық өрнекті жазамыз:
P / T=тұрақты.
Кейде бұл теңдік сәл басқаша түрде беріледі:
P1 / T1=P2 / T 2.
Екі теңдік те 18 ғасырдың аяғында көрсетілген тәуелділікті эксперименттік жолмен алған француз ғалымының атымен Шарль заңы деп аталады.
Егер P(T) функциясының графигін құрсақ, онда изохора деп аталатын түзу сызықты тәуелділікті аламыз. Кез келген изохора (n және V барлық мәндері үшін) түзу болып табылады.
Процесстің энергия сипаттамасы
Айтылғандай изохоралық процесс - бұл тұйық жүйеде, бірақ оқшауланбаған жүйеде өтетін жүйе күйінің өзгеруі. Біз газ бен қоршаған орта арасындағы жылу алмасу мүмкіндігі туралы айтып отырмыз. Жалпы, жүйеге Q жылуды беру екі нәтижеге әкеледі:
- ішкі энергияны өзгертеді U;
- газA жұмыс істейді, кеңейту немесе қысқарту.
Соңғы қорытынды келесідей математикалық түрде жазылады:
Q=U + A.
Идеал газдың изохоралық процесі оның анықтамасы бойынша газдың атқарған жұмысын білдірмейді, өйткені оның көлемі өзгеріссіз қалады. Бұл жүйеге берілген барлық жылу оның ішкі энергиясын арттыруға кететінін білдіреді:
Q=U.
Егер бұл өрнекке ішкі энергияның айқын формуласын ауыстырсақ, онда изохоралық процестің жылуын келесідей көрсетуге болады:
Q=z / 2nRT.
Мұндағы z – газды құрайтын молекулалардың полиатомдылығымен анықталатын еркіндік дәрежелерінің саны. Бір атомды газ үшін z=3, екі атомды газ үшін - 5, ал үш атомды және одан да көп үшін - 6. Бұл жерде еркіндік дәрежелері астында ілгерілемелі және айналу дәрежесін айтамыз.
Егер изохоралық және изобарлық процестерде газ жүйесін қыздыру тиімділігін салыстыратын болсақ, онда бірінші жағдайда біз максималды тиімділікке ие боламыз, өйткені жүйе күйінің изобарлық өзгеруі кезінде газ кеңейеді және Жылу шығынының бір бөлігі жұмысты орындауға жұмсалады.
Изобарикалық процесс
Жоғарыда біз бұл изохоралық процесс екенін егжей-тегжейлі сипаттадық. Енді басқа изопроцестер туралы бірнеше сөз айтайық. Изобарлықтан бастайық. Атау негізінде ол жүйенің тұрақты қысымдағы күйлер арасындағы ауысуы деп түсініледі. Бұл процесс Гей-Люссак заңында былай сипатталған:
V / T=const.
Изохорадағы сияқты V(T) изобары да графиктегі түзу сызықты білдіреді.
үшінкез келген изобарлық процесте газдың жасаған жұмысын есептеу ыңғайлы, өйткені ол тұрақты қысым мен көлемнің өзгеруінің көбейтіндісіне тең.
Изотермиялық процесс
Бұл жүйенің температурасы тұрақты болып қалатын процесс. Ол идеал газ үшін Бойль-Мариотт заңымен сипатталады. Бір қызығы, бұл эксперименталды түрде ашылған алғашқы газ заңы (17 ғасырдың екінші жартысы). Оның математикалық белгісі келесідей:
PV=тұрақты.
Изохоралық және изотермиялық процестер графикалық бейнеленуі бойынша ерекшеленеді, өйткені P(V) функциясы сызықтық қатынас емес, гиперболалық болады.
Есептерді шешу мысалы
Мақалада берілген теориялық ақпаратты практикалық мәселені шешу үшін қолдану арқылы біріктірейік. Таза газ тәрізді азот цилиндрде 1 атмосфера қысымда және 25 °С температурада болғаны белгілі. Газ баллонын қыздырып, ондағы қысымды өлшегеннен кейін ол 1,5 атмосфера болып шықты. Қыздырғаннан кейін цилиндрдегі газдың температурасы қандай? Шарда 4 моль азот болса, газдың ішкі энергиясы қандай шамаға өзгерді.
Бірінші сұраққа жауап беру үшін келесі өрнекті қолданамыз:
P1 / T1=P2 / T 2.
Қайдан аламыз:
T2=P2 / P1 T 1.
Бұл өрнекте қысымды ерікті бірліктерге ауыстыруға боладыөлшемдер, өйткені олар кішірейеді, ал температура тек кельвинде. Осыған байланысты біз мынаны аламыз:
T2=1,5 /1298,15=447,224 K.
Цельсий бойынша есептелген температура 174 °C.
Азот молекуласы екі атомды болғандықтан, қыздыру кезінде оның ішкі энергиясының өзгеруін келесі түрде анықтауға болады:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Бұл өрнекке белгілі мәндерді ауыстырсақ, есептің екінші сұрағына жауап аламыз: ΔU=+12,4 кДж.
