Hayatı boyunca her insan maddenin üç toplam halinden birinde olan bedenlerle karşılaşır. İncelenecek en basit toplama durumu gazdır. Makalede ideal gaz kavramını ele alacağız, sistemin durum denklemini vereceğiz ve ayrıca mutlak sıcaklığın tanımına da biraz dikkat edeceğiz.
Maddenin gaz hali
Her öğrenci "gaz" kelimesini duyduğunda maddenin hangi durumundan bahsettiği hakkında iyi bir fikre sahiptir. Bu kelime, kendisine sağlanan herhangi bir hacmi işgal edebilen bir vücut olarak anlaşılmaktadır. En ufak bir dış etkiye bile karşı koyamadığı için şeklini koruyamaz. Ayrıca gaz, hacmini korumaz, bu da onu yalnızca katılardan değil sıvılardan da ayırır.
Sıvı gibi, gaz da akışkan bir maddedir. Gazlardaki katı cisimlerin hareketi sürecinde, gazlar bu hareketi engeller. Ortaya çıkan kuvvete direnç denir. Onun değeri bağlıdırvücudun gazdaki hızı.
Gazlara güçlü örnekler, hava, evleri ısıtmak ve yemek pişirmek için kullanılan doğal gaz, reklam kızdırma tüplerini doldurmak için kullanılan veya kaynak yaparken inert (agresif olmayan, koruyucu) bir ortam oluşturmak için kullanılan inert gazlardır (Ne, Ar)..
İdeal gaz
Gaz yasalarının ve hal denkleminin açıklamasına geçmeden önce ideal gazın ne olduğu sorusunu iyi anlamalısınız. Bu kavram moleküler kinetik teoride (MKT) tanıtılmıştır. İdeal gaz, aşağıdaki özellikleri sağlayan herhangi bir gazdır:
- Onu oluşturan parçacıklar, doğrudan mekanik çarpışmalar dışında birbirleriyle etkileşmezler.
- Taneciklerin geminin duvarlarıyla veya kendi aralarında çarpışması sonucunda kinetik enerjileri ve momentumları korunur, yani çarpışma kesinlikle esnek olarak kabul edilir.
- Parçacıkların boyutları yoktur, ancak sonlu bir kütleleri vardır, yani maddi noktalara benzerler.
Herhangi bir gazın ideal değil, gerçek olması doğaldır. Bununla birlikte, birçok pratik problemi çözmek için bu yaklaşımlar oldukça geçerlidir ve kullanılabilir. Genel bir ampirik kural vardır: Kimyasal yapısı ne olursa olsun, bir gazın sıcaklığı oda sıcaklığının üzerinde ve atmosferik veya daha düşük mertebesinde bir basınca sahipse, o zaman yüksek doğrulukla ideal olarak kabul edilebilir ve bunu tanımlamak için kullanılabilir. O.ideal gaz hal denkleminin formülü.
Clapeyron-Mendeleev yasası
Maddenin farklı toplu halleri arasındaki geçişler ve tek bir toplu haldeki süreçler termodinamik tarafından ele alınır. Basınç, sıcaklık ve hacim, bir termodinamik sistemin herhangi bir durumunu benzersiz şekilde tanımlayan üç niceliktir. İdeal bir gazın hal denklemi formülü, bu üç miktarın hepsini tek bir eşitlikte birleştirir. Şu formülü yazalım:
PV=nRT
Burada P, V, T - sırasıyla basınç, hacim, sıcaklık. n değeri maddenin mol cinsinden miktarıdır ve R sembolü gazların evrensel sabitini gösterir. Bu eşitlik, basınç ve hacmin çarpımı ne kadar büyükse, madde miktarının ve sıcaklığın çarpımı da o kadar büyük olması gerektiğini gösterir.
Bir gazın hal denkleminin formülüne Clapeyron-Mendeleev yasası denir. 1834'te Fransız bilim adamı Emile Clapeyron, seleflerinin deneysel sonuçlarını özetleyerek bu denkleme geldi. Bununla birlikte, Clapeyron, Mendeleev'in daha sonra bir evrensel gaz sabiti R (8, 314 J / (molK)) ile değiştirdiği bir dizi sabit kullandı. Bu nedenle modern fizikte bu denkleme Fransız ve Rus bilim adamlarının adları verilmiştir.
Diğer Denklem Formları
Yukarıda, ideal bir gaz için Mendeleev-Clapeyron hal denklemini genel kabul görmüş veuygun form. Bununla birlikte, termodinamikteki problemlerde, genellikle biraz farklı bir form gerekli olabilir. Aşağıda yazılı denklemden doğrudan çıkan üç formül daha yazılmıştır:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Bu üç denklem de ideal bir gaz için evrenseldir, yalnızca onlarda kütle m, molar kütle M, yoğunluk ρ ve sistemi oluşturan parçacıkların sayısı N gibi nicelikler görünür. Buradaki kB sembolü Boltzmann sabitini (1, 3810-23J/K) belirtir.
Boyle-Mariotte Yasası
Clapeyron denklemini oluşturduğunda, birkaç on yıl önce deneysel olarak keşfedilen gaz yasalarına dayanıyordu. Bunlardan biri Boyle-Mariotte yasasıdır. Kapalı bir sistemdeki izotermal bir süreci yansıtır, bunun sonucunda basınç ve hacim değişikliği gibi makroskopik parametreler. İdeal gazın hal denklemine T ve n sabitlerini koyarsak, gaz yasası şu şekilde olur:
P1V1=P2V 2
Bu, basınç ve hacmin çarpımının keyfi bir izotermal işlem sırasında korunduğunu söyleyen Boyle-Mariotte yasasıdır. Bu durumda, P ve V değerlerinin kendileri değişir.
P(V) veya V(P) çizerseniz, izotermler hiperbol olacaktır.
Charles ve Gay-Lussac yasaları
Bu yasalar matematiksel olarak izobarik ve izokorik tanımlarsüreçler, yani sırasıyla basınç ve hacmin korunduğu gaz sisteminin durumları arasındaki bu tür geçişler. Charles yasası matematiksel olarak şu şekilde yazılabilir:
V/T=n olduğunda sabit, P=sabit.
Gay-Lussac yasası şu şekilde yazılmıştır:
P/T=n olduğunda sabit, V=sabit.
Her iki eşitlik de bir grafik şeklinde sunulursa, x eksenine bir açıyla eğimli düz çizgiler elde ederiz. Bu grafik türü, sabit basınçta hacim ile sıcaklık ve sabit hacimde basınç ile sıcaklık arasındaki doğru orantılılığı gösterir.
Değerlendirilen üç gaz yasasının da gazın kimyasal bileşimini ve madde miktarındaki değişimi hesaba katmadığına dikkat edin.
Mutlak sıcaklık
Günlük hayatta, çevremizdeki süreçleri tanımlamak için uygun olduğu için Celsius sıcaklık ölçeğini kullanmaya alışkınız. Yani su 100 oC'de kaynar ve 0 oC'de donar. Fizikte bu ölçeğin elverişsiz olduğu ortaya çıkıyor, bu nedenle Lord Kelvin tarafından 19. yüzyılın ortalarında tanıtılan sözde mutlak sıcaklık ölçeği kullanılıyor. Bu skalaya göre sıcaklık Kelvin (K) cinsinden ölçülür.
-273, 15 oC sıcaklıkta atomların ve moleküllerin termal titreşimlerinin olmadığına, ileri hareketlerinin tamamen durduğuna inanılır. Santigrat derece cinsinden bu sıcaklık, Kelvin (0 K) cinsinden mutlak sıfıra karşılık gelir. Bu tanımdanmutlak sıcaklığın fiziksel anlamı şöyledir: maddeyi oluşturan parçacıkların, örneğin atomların veya moleküllerin kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür.
Mutlak sıcaklığın yukarıdaki fiziksel anlamının yanı sıra, bu miktarı anlamak için başka yaklaşımlar da vardır. Bunlardan biri Charles'ın bahsedilen gaz yasasıdır. Aşağıdaki formda yazalım:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Son eşitlik, sistemdeki belirli bir miktarda maddede (örneğin, 1 mol) ve belirli bir basınçta (örneğin, 1 Pa), gaz hacminin mutlak sıcaklığı benzersiz bir şekilde belirlediğini söyler. Başka bir deyişle, bu koşullar altında gaz hacmindeki bir artış, yalnızca sıcaklıktaki bir artış nedeniyle mümkündür ve hacimdeki bir azalma, T değerinde bir düşüşe işaret eder.
Santigrat sıcaklığından farklı olarak, mutlak sıcaklığın negatif olamayacağını hatırlayın.
Avogadro prensibi ve gaz karışımları
Yukarıdaki gaz yasalarına ek olarak, ideal bir gaz için hal denklemi de 19. yüzyılın başında Amedeo Avogadro tarafından keşfedilen ve soyadını taşıyan ilkeye götürür. Bu ilke, sabit basınç ve sıcaklıktaki herhangi bir gazın hacminin sistemdeki madde miktarı tarafından belirlendiğini belirler. Karşılık gelen formül şöyle görünür:
n/V=sabit olduğunda P, T=sabit
Yazılı ifade, ideal gaz fiziğinde iyi bilinen D alton'un gaz karışımları yasasına götürür. Buyasa, bir karışımdaki bir gazın kısmi basıncının benzersiz bir şekilde atomik fraksiyonu tarafından belirlendiğini belirtir.
Problem çözme örneği
İdeal gaz içeren sert duvarlı kapalı bir kapta, ısıtma sonucunda basınç 3 kat arttı. Başlangıç değeri 25 ise sistemin son sıcaklığını belirlemek gerekir oC.
Önce, sıcaklığı Santigrat dereceden Kelvin'e çevirelim, elimizde:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Kabın duvarları sert olduğundan, ısıtma işlemi izokorik olarak kabul edilebilir. Bu durumda Gay-Lussac yasasını uygularız, elimizde:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Böylece, son sıcaklık, basınç oranı ile başlangıç sıcaklığının çarpımından belirlenir. Verileri eşitlikle değiştirerek şu yanıtı alırız: T2=894,45 K. Bu sıcaklık 621.3'e karşılık gelir oC.
