Stan gazowy otaczającej nas materii jest jedną z trzech powszechnych form materii. W fizyce ten płynny stan skupienia jest zwykle rozważany w przybliżeniu w przypadku gazu doskonałego. Korzystając z tego przybliżenia, opisujemy w artykule możliwe izoprocesy w gazach.
Gaz idealny i uniwersalne równanie do jego opisania
Gaz doskonały to taki, którego cząsteczki nie mają wymiarów i nie oddziałują ze sobą. Oczywiście nie ma jednego gazu, który dokładnie spełniałby te warunki, ponieważ nawet najmniejszy atom – wodór, ma określoną wielkość. Co więcej, nawet pomiędzy atomami neutralnego gazu szlachetnego występuje słabe oddziaływanie van der Waalsa. Powstaje zatem pytanie: w jakich przypadkach można pominąć wielkość cząstek gazu i wzajemne oddziaływanie między nimi? Odpowiedzią na to pytanie będzie przestrzeganie następujących warunków fizykochemicznych:
- niskie ciśnienie (około 1 atmosfery i poniżej);
- wysokie temperatury (w pobliżu temperatury pokojowej i powyżej);
- chemiczna obojętność cząsteczek i atomówgaz.
Jeżeli przynajmniej jeden z warunków nie jest spełniony, gaz powinien być uznany za rzeczywisty i opisany specjalnym równaniem van der Waalsa.
Równanie Mendelejewa-Clapeyrona musi być wzięte pod uwagę przed badaniem izoprocesów. Jego drugie imię to równanie gazu doskonałego. Ma następującą notację:
PV=nRT
To znaczy, łączy trzy parametry termodynamiczne: ciśnienie P, temperaturę T i objętość V, a także ilość n substancji. Symbol R oznacza tutaj stałą gazową, jest ona równa 8,314 J / (Kmol).
Co to są izoprocesy w gazach?
Procesy te rozumiane są jako przejścia między dwoma różnymi stanami gazu (początkowym i końcowym), w wyniku których niektóre ilości są zachowywane, a inne zmieniają się. Istnieją trzy rodzaje izoprocesów w gazach:
- izoterma;
- izobaryczny;
- izochoryczny.
Należy zauważyć, że wszystkie z nich zostały eksperymentalnie przebadane i opisane w okresie od drugiej połowy XVII wieku do lat 30. XIX wieku. Na podstawie tych wyników eksperymentalnych Émile Clapeyron w 1834 r. wyprowadził równanie, które jest uniwersalne dla gazów. Ten artykuł jest zbudowany na odwrót - stosując równanie stanu otrzymujemy wzory na izoprocesy w gazach doskonałych.
Przejście w stałej temperaturze
Nazywa się to procesem izotermicznym. Z równania stanu gazu doskonałego wynika, że przy stałej temperaturze bezwzględnej w układzie zamkniętym produkt musi pozostać stałyobjętość do ciśnienia, tj.:
PV=const
Ten związek rzeczywiście był obserwowany przez Roberta Boyle'a i Edma Mariotte'a w drugiej połowie XVII wieku, więc obecnie notowana równość nosi ich imiona.
Zależności funkcjonalne P(V) lub V(P), wyrażone graficznie, wyglądają jak hiperbole. Im wyższa temperatura, w której przeprowadza się eksperyment izotermiczny, tym większy iloczyn PV.
W procesie izotermicznym gaz rozszerza się lub kurczy, wykonując pracę bez zmiany swojej energii wewnętrznej.
Przejście przy stałym ciśnieniu
Teraz przestudiujmy proces izobaryczny, podczas którego ciśnienie jest utrzymywane na stałym poziomie. Przykładem takiego przejścia jest nagrzewanie się gazu pod tłokiem. W wyniku nagrzewania wzrasta energia kinetyczna cząstek, częściej i z większą siłą zaczynają uderzać w tłok, w wyniku czego gaz rozszerza się. W procesie rozprężania gaz wykonuje pewną pracę, której wydajność wynosi 40% (dla gazu jednoatomowego).
Dla tego izoprocesu równanie stanu gazu doskonałego mówi, że musi zachodzić następująca zależność:
V/T=const
Łatwo to uzyskać, jeśli stałe ciśnienie zostanie przeniesione na prawą stronę równania Clapeyrona, a temperatura na lewą. Ta równość nazywana jest prawem Karola.
Równość wskazuje, że funkcje V(T) i T(V) wyglądają na wykresach jak linie proste. Nachylenie prostej V(T) względem odciętej będzie tym mniejsze, im większe ciśnienieP.
Przejście przy stałej objętości
Ostatnim izoprocesem w gazach, który rozważymy w artykule, jest przejście izochoryczne. Używając uniwersalnego równania Clapeyrona, łatwo jest uzyskać następującą równość dla tego przejścia:
P/T=const
Przejście izochoryczne jest opisane przez prawo Gay-Lussaca. Można zauważyć, że graficznie funkcje P(T) i T(P) będą liniami prostymi. Spośród wszystkich trzech procesów izochorycznych, izochoryczny jest najbardziej wydajny, jeśli konieczne jest podniesienie temperatury układu w wyniku doprowadzenia ciepła z zewnątrz. Podczas tego procesu gaz nie działa, to znaczy całe ciepło zostanie skierowane na zwiększenie energii wewnętrznej układu.
