Plinasto stanje snovi okoli nas je ena od treh pogostih oblik snovi. V fiziki se to tekoče agregacijsko stanje običajno obravnava kot približek idealnega plina. S tem približkom opisujemo v članku možne izoprocese v plinih.
Idealni plin in univerzalna enačba za opis
Idealni plin je tisti, katerega delci nimajo dimenzij in ne delujejo med seboj. Očitno ni niti enega plina, ki bi natančno izpolnjeval te pogoje, saj ima tudi najmanjši atom - vodik določeno velikost. Še več, tudi med nevtralnimi atomi žlahtnega plina obstaja šibka van der Waalsova interakcija. Potem se postavlja vprašanje: v katerih primerih je mogoče zanemariti velikost plinskih delcev in interakcijo med njimi? Odgovor na to vprašanje bo upoštevanje naslednjih fizikalno-kemijskih pogojev:
- nizek tlak (približno 1 atmosfera in manj);
- visoke temperature (približno sobne temperature in več);
- kemijska inertnost molekul in atomovplin.
Če vsaj eden od pogojev ni izpolnjen, je treba plin obravnavati kot resničen in ga opisati s posebno van der Waalsovo enačbo.
Pred preučevanjem izoprocesov je treba upoštevati Mendeleev-Clapeyronovo enačbo. Enačba idealnega plina je njeno drugo ime. Ima naslednji zapis:
PV=nRT
To pomeni, da povezuje tri termodinamične parametre: tlak P, temperaturo T in prostornino V ter količino n snovi. Simbol R tukaj označuje plinsko konstanto, enaka je 8,314 J / (Kmol).
Kaj so izoprocesi v plinih?
Te procese razumemo kot prehode med dvema različnima stanjema plina (začetno in končno), zaradi katerih se nekatere količine ohranijo, druge pa spremenijo. Obstajajo tri vrste izoprocesov v plinih:
- izotermno;
- izobarična;
- izohorično.
Pomembno je, da so bili vsi eksperimentalno raziskani in opisani v obdobju od druge polovice 17. stoletja do 30-ih let 19. stoletja. Na podlagi teh eksperimentalnih rezultatov je Émile Clapeyron leta 1834 izpeljal enačbo, ki je univerzalna za pline. Ta članek je zgrajen obratno - z uporabo enačbe stanja dobimo formule za izoprocese v idealnih plinih.
Prehod pri konstantni temperaturi
Imenuje se izotermični proces. Iz enačbe stanja idealnega plina sledi, da mora produkt pri konstantni absolutni temperaturi v zaprtem sistemu ostati konstantenprostornina proti tlaku, to je:
PV=const
To razmerje sta res opazila Robert Boyle in Edm Mariotte v drugi polovici 17. stoletja, tako da enakost, ki je trenutno zabeležena, nosi njihova imena.
Funkcionalne odvisnosti P(V) ali V(P), izražene grafično, izgledajo kot hiperbole. Višja kot je temperatura, pri kateri se izvaja izotermični poskus, večji je produkt PV.
V izotermičnem procesu se plin razširi ali skrči, pri čemer opravlja delo, ne da bi spremenil svojo notranjo energijo.
Prehod pri konstantnem tlaku
Sedaj pa preučimo izobarični proces, med katerim je tlak konstanten. Primer takega prehoda je segrevanje plina pod batom. Zaradi segrevanja se kinetična energija delcev poveča, začnejo pogosteje in z večjo silo udarjati v bat, zaradi česar se plin razširi. V procesu ekspanzije plin opravi nekaj dela, katerega izkoristek je 40 % (za enoatomni plin).
Za ta izoproces enačba stanja za idealni plin pravi, da mora veljati naslednja relacija:
V/T=const
To je enostavno dobiti, če se konstantni tlak prenese na desno stran Clapeyronove enačbe, temperatura pa na levo. Ta enakost se imenuje Charlesov zakon.
Enakost označuje, da sta funkciji V(T) in T(V) na grafih videti kot ravne črte. Naklon premice V(T) glede na absciso bo manjši, večji je pritiskP.
Prehod pri konstantni glasnosti
Zadnji izoproces v plinih, ki ga bomo obravnavali v članku, je izohorični prehod. Z uporabo univerzalne Clapeyronove enačbe je za ta prehod enostavno dobiti naslednjo enakost:
P/T=const
Izohorični prehod je opisan z zakonom Gay-Lussac. Vidimo, da sta grafično funkciji P(T) in T(P) ravne črte. Med vsemi tremi izohornimi procesi je izohorni najučinkovitejši, če je treba zaradi dovajanja zunanje toplote zvišati temperaturo sistema. Med tem postopkom plin ne deluje, to pomeni, da bo vsa toplota usmerjena v povečanje notranje energije sistema.
