Elke persoon tydens sy lewe ontmoet liggame wat in een van die drie totale toestande van materie is. Die eenvoudigste toestand van aggregasie om te bestudeer is gas. In die artikel sal ons die konsep van 'n ideale gas oorweeg, die toestandsvergelyking van die sisteem gee, en ook aandag gee aan die beskrywing van die absolute temperatuur.
Gastoestand van materie
Elke student het 'n goeie idee van watter toestand van materie hulle praat wanneer hulle die woord "gas" hoor. Hierdie woord word verstaan as 'n liggaam wat in staat is om enige volume wat daaraan verskaf word, te beset. Dit is nie in staat om sy vorm te behou nie, want dit kan nie eers die geringste eksterne invloed weerstaan nie. Gas behou ook nie volume nie, wat dit nie net van vaste stowwe onderskei nie, maar ook van vloeistowwe.
Soos 'n vloeistof, is 'n gas 'n vloeibare stof. In die proses van beweging van vaste liggame in gasse, belemmer laasgenoemde hierdie beweging. Die gevolglike krag word weerstand genoem. Die waarde daarvan hang af vansnelheid van die liggaam in die gas.
Sterk voorbeelde van gasse is lug, aardgas wat gebruik word vir die verhitting van huise en kook, inerte gasse (Ne, Ar) wat gebruik word om advertensie gloeibuise te vul of wat gebruik word om 'n inerte (nie-aggressiewe, beskermende) omgewing te skep wanneer sweiswerk.
Ideale gas
Voordat jy voortgaan met die beskrywing van gaswette en die toestandsvergelyking, moet jy die vraag wat 'n ideale gas is goed verstaan. Hierdie konsep word in molekulêre kinetiese teorie (MKT) bekendgestel. 'n Ideale gas is enige gas wat aan die volgende eienskappe voldoen:
- Die deeltjies wat dit vorm, is nie in wisselwerking met mekaar nie, behalwe vir direkte meganiese botsings.
- As gevolg van die botsing van deeltjies met die wande van die vaartuig of tussen mekaar, word hul kinetiese energie en momentum bewaar, dit wil sê, die botsing word as absoluut elasties beskou.
- Deeltjies het geen afmetings nie, maar het 'n eindige massa, dit wil sê, hulle is soortgelyk aan materiaalpunte.
Dit is natuurlik dat enige gas nie ideaal is nie, maar werklik. Nietemin, om baie praktiese probleme op te los, is hierdie benaderings redelik geldig en kan gebruik word. Daar is 'n algemene empiriese reël wat sê: ongeag die chemiese aard, as 'n gas 'n temperatuur bo kamertemperatuur en 'n druk van die orde van atmosferiese of laer het, dan kan dit met hoë akkuraatheid as ideaal beskou word en kan dit gebruik word om te beskryf Dit.formule van die ideale gasvergelyking van toestand.
Clapeyron-Mendeleev-wet
Oorgange tussen verskillende totale toestande van materie en prosesse binne 'n enkele aggregaattoestand word deur termodinamika hanteer. Druk, temperatuur en volume is drie hoeveelhede wat enige toestand van 'n termodinamiese stelsel uniek definieer. Die formule vir die toestandsvergelyking van 'n ideale gas kombineer al drie hierdie hoeveelhede in 'n enkele gelykheid. Kom ons skryf hierdie formule:
PV=nRT
Hier P, V, T - druk, volume, temperatuur, onderskeidelik. Die waarde van n is die hoeveelheid stof in mol, en die simbool R dui die universele konstante van gasse aan. Hierdie gelykheid wys dat hoe groter die produk van druk en volume is, hoe groter moet die produk van die hoeveelheid stof en temperatuur wees.
Die formule vir die toestandsvergelyking van 'n gas word die Clapeyron-Mendeleev-wet genoem. In 1834 het die Franse wetenskaplike Emile Clapeyron, wat die eksperimentele resultate van sy voorgangers opgesom het, tot hierdie vergelyking gekom. Clapeyron het egter 'n aantal konstantes gebruik, wat Mendeleev later met een vervang het - die universele gaskonstante R (8, 314 J / (molK)). Daarom, in moderne fisika, is hierdie vergelyking vernoem na die name van Franse en Russiese wetenskaplikes.
Ander vergelykingvorms
Hierbo het ons die Mendeleev-Clapeyron-toestandsvergelyking geskryf vir 'n ideale gas in die algemeen aanvaarde engerieflike vorm. In probleme in termodinamika kan 'n effens ander vorm egter dikwels vereis word. Nog drie formules word hieronder geskryf, wat direk uit die geskrewe vergelyking volg:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Hierdie drie vergelykings is ook universeel vir 'n ideale gas, net daarin verskyn sulke hoeveelhede soos massa m, molêre massa M, digtheid ρ en die aantal deeltjies N waaruit die stelsel bestaan. Die simbool kB dui hier die Boltzmann-konstante aan (1, 3810-23J/K).
Boyle-Mariotte Law
Toe Clapeyron sy vergelyking opgestel het, was hy gebaseer op gaswette wat etlike dekades vroeër eksperimenteel ontdek is. Een daarvan is die Boyle-Mariotte-wet. Dit weerspieël 'n isotermiese proses in 'n geslote sisteem, as gevolg waarvan makroskopiese parameters soos druk en volume verander. As ons T en n konstante plaas in die toestandsvergelyking vir 'n ideale gas, dan sal die gaswet die vorm aanneem:
P1V1=P2V 2
Dit is die Boyle-Mariotte-wet, wat sê dat die produk van druk en volume tydens 'n arbitrêre isotermiese proses bewaar word. In hierdie geval verander die waardes P en V self.
As jy P(V) of V(P plot), dan sal die isoterme hiperbole wees.
Charles en Gay-Lussac se wette
Hierdie wette beskryf isobaries en isochories wiskundigprosesse, dit wil sê sulke oorgange tussen die toestande van die gasstelsel, waarin druk en volume onderskeidelik behoue bly. Charles se wet kan wiskundig soos volg geskryf word:
V/T=konst wanneer n, P=konst.
Gay-Lussac se wet is soos volg geskryf:
P/T=konst wanneer n, V=konst.
As beide gelykhede in die vorm van 'n grafiek aangebied word, sal ons reguit lyne kry wat teen 'n hoek met die x-as skuins. Hierdie tipe grafiek dui 'n direkte eweredigheid aan tussen volume en temperatuur by konstante druk en tussen druk en temperatuur by konstante volume.
Let daarop dat al drie beskou gaswette nie die chemiese samestelling van die gas, sowel as die verandering in die hoeveelheid materie daarvan in ag neem nie.
Absolute temperatuur
In die alledaagse lewe is ons gewoond daaraan om die Celsius-temperatuurskaal te gebruik, aangesien dit gerieflik is om die prosesse rondom ons te beskryf. Dus, water kook teen 100 oC en vries by 0 oC. In fisika blyk hierdie skaal ongerieflik te wees, daarom word die sogenaamde absolute temperatuurskaal, wat deur Lord Kelvin in die middel van die 19de eeu ingestel is, gebruik. In ooreenstemming met hierdie skaal word die temperatuur in Kelvin (K) gemeet.
Daar word geglo dat daar by 'n temperatuur van -273, 15 oC geen termiese vibrasies van atome en molekules is nie, hul voorwaartse beweging stop heeltemal. Hierdie temperatuur in grade Celsius stem ooreen met absolute nul in Kelvin (0 K). Uit hierdie definisiedie fisiese betekenis van absolute temperatuur volg: dit is 'n maatstaf van die kinetiese energie van die deeltjies waaruit materie bestaan, byvoorbeeld atome of molekules.
Behalwe die bogenoemde fisiese betekenis van absolute temperatuur, is daar ander benaderings om hierdie hoeveelheid te verstaan. Een daarvan is die genoemde gaswet van Charles. Kom ons skryf dit in die volgende vorm:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Die laaste gelykheid sê dat by 'n sekere hoeveelheid stof in die sisteem (byvoorbeeld, 1 mol) en 'n sekere druk (byvoorbeeld, 1 Pa), die gasvolume uniek die absolute temperatuur bepaal. Met ander woorde, 'n toename in die gasvolume onder hierdie toestande is slegs moontlik as gevolg van 'n toename in temperatuur, en 'n afname in volume dui op 'n afname in die waarde van T.
Onthou dat, anders as Celsius-temperatuur, absolute temperatuur nie negatief kan wees nie.
Avogadro-beginsel en gasmengsels
Benewens bogenoemde gaswette, lei die toestandsvergelyking vir 'n ideale gas ook tot die beginsel wat deur Amedeo Avogadro aan die begin van die 19de eeu ontdek is, wat sy van dra. Hierdie beginsel bepaal dat die volume van enige gas by konstante druk en temperatuur bepaal word deur die hoeveelheid stof in die sisteem. Die ooreenstemmende formule lyk soos volg:
n/V=konst wanneer P, T=konst.
Die geskrewe uitdrukking lei tot die bekende in ideale gasfisika D alton se wet vir gasmengsels. Hierdiedie wet bepaal dat die parsiële druk van 'n gas in 'n mengsel uniek bepaal word deur sy atoomfraksie.
Voorbeeld van probleemoplossing
In 'n geslote houer met stewige wande wat 'n ideale gas bevat, as gevolg van verhitting, het die druk met 3 keer toegeneem. Dit is nodig om die finale temperatuur van die stelsel te bepaal as sy aanvanklike waarde 25 was oC.
Eers, kom ons skakel die temperatuur van grade Celsius na Kelvin om, ons het:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Aangesien die wande van die houer styf is, kan die verhittingsproses as isochories beskou word. Vir hierdie geval pas ons die Gay-Lussac-wet toe, ons het:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Dus, die finale temperatuur word bepaal uit die produk van die drukverhouding en die aanvanklike temperatuur. Deur die data in gelykheid te vervang, kry ons die antwoord: T2=894.45 K. Hierdie temperatuur stem ooreen met 621.3 oC.
