Idealni plin, enačba stanja idealnega plina, njegova temperatura in tlak, prostornina … seznam parametrov in definicij, uporabljenih v ustreznem delu fizike, se lahko nadaljuje še dolgo. Danes se bomo pogovarjali samo o tej temi.
Kaj velja v molekularni fiziki?
Glavni predmet, obravnavan v tem razdelku, je idealen plin. Idealna plinska enačba stanja je bila pridobljena ob upoštevanju normalnih okoljskih razmer, o tem bomo govorili malo kasneje. Zdaj pa se lotimo tega "problema" od daleč.
Recimo, da imamo nekaj mase plina. Njegovo stanje je mogoče določiti s pomočjo treh termodinamičnih parametrov. To so seveda tlak, prostornina in temperatura. Enačba stanja sistema bo v tem primeru formula za razmerje med ustreznimi parametri. Izgleda takole: F (p, V, T)=0.
Tukaj se prvič počasi približujemo nastanku takšne stvari, kot je idealplin. Imenuje se plin, pri katerem so interakcije med molekulami zanemarljive. Na splošno tega v naravi ni. Vendar mu je vsak zelo redek plin blizu. Dušik, kisik in zrak, ki so v normalnih pogojih, se malo razlikujejo od idealnih. Za pisanje enačbe stanja za idealni plin lahko uporabimo enotni plinski zakon. Dobimo: pV/T=const.
Povezan koncept 1: Avogadrov zakon
Lahko nam pove, da če vzamemo enako število molov absolutno katerega koli naključnega plina in jih postavimo v enake pogoje, vključno s temperaturo in tlakom, bodo plini zasedli enako prostornino. Zlasti poskus je bil izveden v normalnih pogojih. To pomeni, da je bila temperatura 273,15 Kelvina, tlak ena atmosfera (760 milimetrov živega srebra ali 101325 Pascalov). S temi parametri je plin zasedel prostornino, ki je enaka 22,4 litra. Zato lahko rečemo, da bo za en mol katerega koli plina razmerje številčnih parametrov konstantna vrednost. Zato je bilo odločeno, da to številko označimo s črko R in jo imenujemo univerzalna plinska konstanta. Tako je enako 8,31. Enota je J/molK.
Idealni plin. Idealna plinska enačba stanja in njena manipulacija
Poskušajmo prepisati formulo. Če želite to narediti, ga zapišemo v tej obliki: pV=RT. Nato izvedemo preprosto dejanje, pomnožimo obe strani enačbe s poljubnim številom molov. Dobimo pVu=uRT. Upoštevamo dejstvo, da je produkt molarne prostornine inkoličina snovi je preprosto prostornina. Toda navsezadnje bo število molov hkrati enako količniku mase in molske mase. Točno tako izgleda Mendeleev-Clapeyronova enačba. Daje jasno predstavo o tem, kakšen sistem tvori idealni plin. Enačba stanja za idealni plin bo imela obliko: pV=mRT/M.
Izvedite formulo za tlak
Naredimo še nekaj manipulacij s pridobljenimi izrazi. Da bi to naredili, se desna stran Mendeleev-Clapeyronove enačbe pomnoži in deli z Avogadrovim številom. Zdaj pazljivo pogledamo zmnožek količine snovi z Avogadrovo številko. To ni nič drugega kot skupno število molekul v plinu. Toda hkrati bo razmerje med univerzalno plinsko konstanto in številom Avogadro enako Boltzmannovi konstanti. Zato lahko formule za tlak zapišemo takole: p=NkT/V ali p=nkT. Tukaj je simbol n koncentracija delcev.
Idealni plinski procesi
V molekularni fiziki obstaja taka stvar, kot so izoprocesi. To so termodinamični procesi, ki potekajo v sistemu pri enem od konstantnih parametrov. V tem primeru mora tudi masa snovi ostati konstantna. Poglejmo si jih bolj konkretno. Torej, zakoni idealnega plina.
Tlak ostane konstanten
To je Gay-Lussacov zakon. Izgleda takole: V/T=konst. Lahko ga prepišemo na drug način: V=Vo (1 + at). Tukaj je a enako 1/273,15 K^-1 in se imenuje "koeficient volumskega raztezanja". Temperaturo lahko nadomestimo tako v stopinjah Celzija kotKelvinova lestvica. V slednjem primeru dobimo formulo V=Voat.
Glasnina ostane nespremenjena
To je Gay-Lussacov drugi zakon, ki ga pogosteje imenujemo Charlesov zakon. Izgleda takole: p/T=const. Obstaja še ena formulacija: p=po (1 + at). Transformacije je mogoče izvesti v skladu s prejšnjim primerom. Kot lahko vidite, so zakoni o idealnem plinu včasih precej podobni drug drugemu.
Temperatura ostane konstantna
Če temperatura idealnega plina ostane konstantna, lahko dobimo Boyle-Mariotteov zakon. Lahko se zapiše takole: pV=const.
Povezan koncept 2: delni tlak
Recimo, da imamo posodo s plini. To bo mešanica. Sistem je v stanju toplotnega ravnotežja in plini sami med seboj ne reagirajo. Tukaj bo N označevalo skupno število molekul. N1, N2 in tako naprej, število molekul v vsaki od komponent zmesi. Vzemimo formulo tlaka p=nkT=NkT/V. Lahko se odpre za določen primer. Za dvokomponentno mešanico bo formula dobila obliko: p=(N1 + N2) kT/V. Toda potem se izkaže, da bo skupni tlak seštevan iz delnih tlakov vsake mešanice. Torej bo videti kot p1 + p2 in tako naprej. To bodo delni tlaki.
Za kaj je?
Formula, ki smo jo dobili, kaže, da je tlak v sistemu iz vsake skupine molekul. Mimogrede, ni odvisno oddrugi. D alton je to izkoristil pri oblikovanju zakona, pozneje poimenovanega po njem: v zmesi, kjer plini ne reagirajo kemično drug z drugim, bo skupni tlak enak vsoti parcialnih tlakov.
