Glavni predmet preučevanja termodinamike plinskih sistemov je sprememba termodinamičnih stanj. Zaradi takšnih sprememb lahko plin opravlja delo in shranjuje notranjo energijo. Preučimo v spodnjem članku različne termodinamične prehode v idealnem plinu. Posebna pozornost bo namenjena preučevanju grafa izotermnega procesa.
Idealni plini
Po samem imenu sodeč lahko rečemo, da 100% idealni plini v naravi ne obstajajo. Vendar pa številne resnične snovi izpolnjujejo ta koncept s praktično natančnostjo.
Idealni plin je vsak plin, pri katerem je mogoče zanemariti interakcije med njegovimi delci in njihovimi velikostmi. Oba pogoja sta izpolnjena le, če bo kinetična energija molekul veliko večja od potencialne energije vezi med njima, razdalje med molekulami pa bodo veliko večje od velikosti delcev.
Za določitev, kateri jeČe je preučevani plin idealen, lahko uporabite preprosto pravilo: če je temperatura v sistemu nad sobno temperaturo, se tlak ne razlikuje veliko od atmosferskega tlaka ali nižji od njega, in molekule, ki sestavljajo sistem so kemično inertni, potem bo plin idealen.
glavni zakon
Govorimo o enačbi idealnega plina, ki se imenuje tudi Clapeyron-Mendeleev zakon. To enačbo je v 30-ih letih XIX stoletja zapisal francoski inženir in fizik Emile Clapeyron. Nekaj desetletij pozneje ga je ruski kemik Mendelejev prinesel v sodobno obliko. Ta enačba izgleda takole:
PV=nRT.
Na levi strani enačbe je produkt tlaka P in prostornine V, na desni strani enačbe je produkt temperature T in količine snovi n. R je univerzalna plinska konstanta. Upoštevajte, da je T absolutna temperatura, ki se meri v Kelvinih.
Zakon Clapeyron-Mendeleev je bil prvič pridobljen iz rezultatov prejšnjih plinskih zakonov, torej je temeljil izključno na eksperimentalni osnovi. Z razvojem sodobne fizike in kinetične teorije tekočin je mogoče enačbo idealnega plina izpeljati iz upoštevanja mikroskopskega obnašanja delcev sistema.
Izotermični proces
Ne glede na to, ali ta proces poteka v plinih, tekočinah ali trdnih snoveh, ima zelo jasno definicijo. Izotermični prehod je prehod med dvema stanjema, v katerih je temperatura sistemaohranjena, torej ostane nespremenjena. Zato bo graf izotermnega procesa v oseh čas (os x) - temperatura (os y) vodoravna črta.
V zvezi z idealnim plinom ugotavljamo, da se izotermični prehod zanj imenuje Boyle-Mariotteov zakon. Ta zakon je bil odkrit eksperimentalno. Poleg tega je postal prvi na tem področju (druga polovica 17. stoletja). Lahko ga dobi vsak študent, če upošteva obnašanje plina v zaprtem sistemu (n=const) pri konstantni temperaturi (T=const). Z uporabo enačbe stanja dobimo:
nRT=const=>
PV=konst.
Zadnja enakost je Boyle-Mariotteov zakon. V učbenikih fizike lahko najdete tudi to obliko zapisa:
P1 V1=P2 V 2.
Med prehodom iz izotermnega stanja 1 v termodinamično stanje 2 ostane produkt prostornine in tlaka konstanten za zaprt plinski sistem.
Proučeni zakon govori o obratni sorazmernosti med vrednostma P in V:
P=const / V.
To pomeni, da bo graf izotermnega procesa v idealnem plinu krivulja hiperbole. Na spodnji sliki so prikazane tri hiperbole.
Vsak od njih se imenuje izoterma. Višja kot je temperatura v sistemu, dlje bo od koordinatnih osi izoterma. Iz zgornje slike lahko sklepamo, da zelena ustreza najvišji temperaturi v sistemu, modra pa najnižji, pod pogojem, da je količina snovi v vseh trehsistemi so enaki. Če so vse izoterme na sliki zgrajene za isto temperaturo, potem to pomeni, da zelena krivulja ustreza največjemu sistemu glede na količino snovi.
Sprememba notranje energije med izotermnim procesom
V fiziki idealnih plinov se notranja energija razume kot kinetična energija, povezana z rotacijskim in translacijskim gibanjem molekul. Iz kinetične teorije je enostavno dobiti naslednjo formulo za notranjo energijo U:
U=z / 2nRT.
Kjer je z število stopinj prostega gibanja molekul. Je od 3 (monatomski plin) do 6 (poliatomske molekule).
V primeru izotermnega procesa temperatura ostane konstantna, kar pomeni, da je edini razlog za spremembo notranje energije izstop oziroma prihod delcev snovi v sistem. Tako se v zaprtih sistemih med izotermično spremembo njihovega stanja ohranja notranja energija.
Izobarični in izohorični procesi
Poleg Boyle-Mariotteovega zakona obstajata še dva osnovna plinska zakona, ki sta bila odkrita tudi eksperimentalno. Nosijo imeni Francozov Charles in Gay-Lussac. Matematično so zapisani takole:
V / T=const, ko je P=const;
P / T=konst, ko je V=konst.
Charlesov zakon pravi, da je med izobaričnim procesom (P=const) prostornina linearno odvisna od absolutne temperature. Gay-Lussacov zakon kaže linearno razmerje med tlakom in absolutno temperaturo pri izohoričniprehod (V=const).
Iz danih enačb sledi, da se grafi izobaričnih in izohoričnih prehodov bistveno razlikujejo od izotermnega procesa. Če ima izoterma obliko hiperbole, sta izobara in izohora ravne črte.
Izobarično-izotermni proces
Pri obravnavanju plinskih zakonov se včasih pozablja, da se lahko poleg vrednosti T, P in V spremeni tudi vrednost n v zakonu Clapeyron-Mendeleev. Če določimo tlak in temperaturo, dobimo enačbo izobarično-izotermnega prehoda:
n / V=const, ko je T=const, P=const.
Linearno razmerje med količino snovi in prostornino kaže, da pod enakimi pogoji različni plini, ki vsebujejo enako količino snovi, zasedajo enake prostornine. Na primer, v normalnih pogojih (0 oC, 1 atmosfera) je molska prostornina katerega koli plina 22,4 litra. Obravnavani zakon se imenuje Avogadrov princip. Podlaga D altonov zakon idealnih mešanic plinov.
