Газ системаларынын термодинамикасын изилдөөнүн негизги предмети болуп термодинамикалык абалдардын өзгөрүшү саналат. Мындай өзгөрүүлөрдүн натыйжасында газ жумуш аткарып, ички энергияны сактай алат. Төмөнкү макалада идеалдуу газдагы ар кандай термодинамикалык өтүүлөрдү изилдеп көрөлү. Изотермикалык процесстин графигин изилдөөгө өзгөчө көңүл бурулат.
Идеалдуу газдар
Атына карап, 100% идеалдуу газдар жаратылышта жок деп айта алабыз. Бирок көптөгөн реалдуу заттар бул түшүнүктү практикалык тактык менен канааттандырат.
Идеал газ - бул анын бөлүкчөлөрүнүн жана алардын өлчөмдөрүнүн ортосундагы өз ара аракеттешүүнү этибарга албаган газ. Молекулалардын кинетикалык энергиясы алардын ортосундагы байланыштардын потенциалдык энергиясынан алда канча чоң болуп, молекулалардын ортосундагы аралыктар бөлүкчөлөрдүн өлчөмүнөн бир топ чоң болгондо гана эки шарт тең аткарылат.
Кайсысы экенин аныктоо үчүнЭгерде изилденүүчү газ идеалдуу болсо, анда жөнөкөй эрежени колдонсоңуз болот: системадагы температура бөлмө температурасынан жогору болсо, басым атмосфералык басымдан анча айырмаланбайт же андан азыраак жана системаны түзгөн молекулалар химиялык жактан инерттүү болсо, газ идеалдуу болот.
Негизги мыйзам
Кеп идеалдуу газ теңдемеси жөнүндө болуп жатат, аны Клапейрон-Менделеев мыйзамы деп да аташат. Бул теңдеме XIX кылымдын 30-жылдарында француз инженери жана физиги Эмиль Клапейрон тарабынан жазылган. Бир нече ондогон жылдардан кийин орус химиги Менделеев аны заманбап формасына алып келди. Бул теңдеме мындай көрүнөт:
PV=nRT.
Теңдеменин сол тарабында басымдын P менен көлөмүнүн V көбөйтүлүшү, оң тарабында температуранын T жана n затынын көлөмүнүн көбөйтүлүшү жазылган. R – универсалдуу газ константасы. T - Кельвин менен өлчөнгөн абсолюттук температура экенин эске алыңыз.
Клапейрон-Менделеев мыйзамы алгач мурунку газ мыйзамдарынын натыйжаларынан алынган, башкача айтканда, ал эксперименттик базага гана негизделген. Заманбап физиканын жана суюктуктардын кинетикалык теориясынын өнүгүшү менен идеалдуу газ теңдемеси системанын бөлүкчөлөрүнүн микроскопиялык жүрүм-турумун эске алуу менен алынышы мүмкүн.
Изотермикалык процесс
Бул процесс газдарда, суюктуктарда же катуу заттарда болгонуна карабастан, анын так аныктамасы бар. Изотермиялык өтүү - бул системанын температурасы болгон эки абалдын ортосундагы өтүүсакталган, башкача айтканда, өзгөрүүсүз бойдон калууда. Демек, изотермиялык процесстин убакыт огу (x огу) - температура (y огу) графиги горизонталдуу сызык болот.
Идеалдуу газга карата, анын изотермиялык өтүшү Бойль-Мариоттун мыйзамы деп аталаарын белгилейбиз. Бул мыйзам эксперименталдык жол менен ачылган. Анын үстүнө ал бул аймакта биринчи (17-кылымдын 2-жарымы) болгон. Аны ар бир окуучу газдын жабык системадагы кыймыл-аракетин (n=const) туруктуу температурада (T=const) караса, ала алат. Күйдүн теңдемесин колдонуп, биз алабыз:
nRT=const=>
PV=const.
Акыркы теңдик Бойл-Мариоттун мыйзамы. Физика окуу китептеринен аны жазуунун бул түрүн да таба аласыз:
P1 V1=P2 V 2.
1-изотермиялык абалдан 2-термодинамикалык абалга өтүү учурунда көлөм менен басымдын көбөйтүлүшү жабык газ системасы үчүн туруктуу бойдон калат.
Изилденген мыйзам P жана V маанилеринин ортосундагы тескери пропорционалдык жөнүндө айтылат:
P=const / V.
Бул идеалдуу газдагы изотермиялык процесстин графиги гиперболанын ийри сызыгы болот дегенди билдирет. Үч гипербола төмөнкү сүрөттө көрсөтүлгөн.
Алардын ар бири изотерма деп аталат. Системада температура канчалык жогору болсо, изотерма координата окторунан ошончолук алыс болот. Жогорудагы сүрөттөн биз жашыл түс системадагы эң жогорку температурага, ал эми көк түс эң төмөнкү температурага туура келет деген тыянак чыгарууга болот, эгерде үчөө тең заттын өлчөмүсистемалар бирдей. Эгерде сүрөттөгү бардык изотермалар бирдей температура үчүн курулса, анда бул жашыл ийри сызык заттын саны боюнча эң чоң системага туура келет дегенди билдирет.
Изотермиялык процесс учурунда ички энергиянын өзгөрүшү
Идеалдуу газдардын физикасында ички энергия деп молекулалардын айлануу жана которуу кыймылы менен байланышкан кинетикалык энергия түшүнүлөт. Кинетикалык теориядан U ички энергиянын төмөнкү формуласын алуу оңой:
U=z / 2nRT.
Бул жерде z - молекулалардын эркин кыймылынын даражаларынын саны. Ал 3төн (монатомдуу газ) 6га (көп атомдуу молекулалар) чейин өзгөрөт.
Изотермиялык процесс учурунда температура туруктуу бойдон калат, бул ички энергиянын өзгөрүшүнүн бирден бир себеби системага заттын бөлүкчөлөрүнүн чыгышы же келиши болуп саналат. Ошентип, жабык системаларда алардын абалынын изотермиялык өзгөрүшү учурунда ички энергия сакталат.
Изобарикалык жана изохоралык процесстер
Бойл-Мариотт мыйзамынан тышкары дагы эки негизги газ мыйзамдары бар, алар дагы эксперименталдык түрдө ачылган. Алар француз Шарль менен Гей-Люссактын ысымдарын алып жүрүшөт. Математикалык жактан алар мындайча жазылган:
V / T=const качан P=const;
P / T=const болгондо V=const.
Чарльздын мыйзамы изобарикалык процесс учурунда (P=const) көлөм абсолюттук температурага сызыктуу көз каранды экенин айтат. Гей-Люссак мыйзамы изохорада басым менен абсолюттук температуранын ортосундагы сызыктуу байланышты көрсөтөтөтүү (V=const).
Берилген бирдейликтерден изобардык жана изохоралык өтүүлөрдүн графиктери изотермиялык процесстен олуттуу айырмаланат экени келип чыгат. Эгерде изотерма гиперболанын формасына ээ болсо, анда изобар жана изохора түз сызыктар.
Изобарикалык-изотермикалык процесс
Газ мыйзамдарын карап жатканда, кээде T, P жана V маанилеринен тышкары, Клапейрон-Менделеев мыйзамындагы n мааниси да өзгөрүшү мүмкүн экени унутулуп калат. Эгерде басымды жана температураны түзсөк, анда изобардык-изотермиялык өтүүнүн теңдемесин алабыз:
n / V=const болгондо T=const, P=const.
Заттын саны менен көлөмдүн ортосундагы сызыктуу байланыш бирдей шарттарда бирдей өлчөмдөгү затты камтыган түрдүү газдар бирдей көлөмдү ээлейт. Мисалы, кадимки шарттарда (0 oC, 1 атмосфера) ар кандай газдын молярдык көлөмү 22,4 литрге барабар. Каралган мыйзам Авогадро принциби деп аталат. Бул идеалдуу газ аралашмаларынын Далтон мыйзамынын негизин түзөт.
