Çevremizdeki doğal fenomenler ve süreçler oldukça karmaşıktır. Tam fiziksel tanımları için, hantal bir matematiksel aparat kullanılmalı ve çok sayıda önemli faktör dikkate alınmalıdır. Bu sorunu önlemek için, fizikte, sürecin matematiksel analizini büyük ölçüde kolaylaştıran, ancak pratik olarak tanımının doğruluğunu etkilemeyen bazı basitleştirilmiş modeller kullanılır. Bunlardan biri ideal gaz modelidir. Makalede daha ayrıntılı olarak ele alalım.
İdeal gaz kavramı
İdeal gaz, birbirleriyle etkileşime girmeyen maddesel noktalardan oluşan bir maddenin kümelenme halidir. Bu tanımı daha detaylı açıklayalım.
İlk olarak, ideal bir gazı oluşturan nesneler olarak maddesel noktalardan bahsediyoruz. Bu, moleküllerinin ve atomlarının bir boyutu olmadığı, ancak belirli bir kütleye sahip olduğu anlamına gelir. cesurDüşük basınç ve yüksek sıcaklıklardaki tüm gerçek gazlarda moleküller arasındaki mesafenin lineer boyutlarından çok daha büyük olduğu gerçeği dikkate alınarak bir yaklaşıklık yapılabilir.
İkinci olarak, ideal bir gazdaki moleküller birbirleriyle etkileşmemelidir. Gerçekte, bu tür etkileşimler her zaman vardır. Bu nedenle, soy gazların atomları bile dipol-dipol çekimi yaşar. Başka bir deyişle, van der Waals etkileşimleri mevcuttur. Bununla birlikte, moleküllerin dönme ve öteleme hareketinin kinetik enerjisiyle karşılaştırıldığında, bu etkileşimler o kadar küçüktür ki gazların özelliklerini etkilemezler. Bu nedenle, pratik problemleri çözerken dikkate alınamazlar.
Yoğunluğu düşük ve sıcaklığı yüksek olan tüm gazların ideal olarak kabul edilemeyeceğini unutmamak önemlidir. Van der Waals etkileşimlerine ek olarak, başka, daha güçlü bağ türleri de vardır, örneğin, H2O molekülleri arasındaki hidrojen bağları, bu da gaz idealite koşullarının büyük ölçüde ihlaline yol açar. Bu nedenle su buharı ideal bir gaz değil, havadır.
İdeal gazın fiziksel modeli
Bu model şu şekilde temsil edilebilir: gaz sisteminin N tane parçacık içerdiğini varsayalım. Bunlar, çeşitli kimyasalların ve elementlerin atomları ve molekülleri olabilir. N tane parçacığın sayısı büyüktür, bu nedenle onu tanımlamak için genellikle "mol" birimi kullanılır (1 mol, Avogadro sayısına karşılık gelir). Hepsi belirli bir hacimde hareket eder V. Parçacık hareketlerikaotik ve birbirinden bağımsızdır. Her birinin belirli bir v hızı vardır ve düz bir yol boyunca hareket eder.
Teorik olarak, boyutları parçacıklar arası mesafelere kıyasla küçük olduğu için parçacıklar arasındaki çarpışma olasılığı neredeyse sıfırdır. Ancak böyle bir çarpışma olursa, kesinlikle esnektir. İkinci durumda, parçacıkların toplam momentumu ve kinetik enerjileri korunur.
İdeal gazların dikkate alınan modeli, çok sayıda element içeren klasik bir sistemdir. Bu nedenle, içindeki parçacıkların hızı ve enerjisi, Maxwell-Boltzmann'ın istatistiksel dağılımına uyar. Bazı parçacıkların hızları düşük, bazıları ise yüksek hızlara sahiptir. Bu durumda, bu miktarın en olası değerlerinin bulunduğu belirli bir dar hız sınırı vardır. Azot moleküllerinin hız dağılımı aşağıda şematik olarak gösterilmiştir.
Gazların kinetik teorisi
Yukarıda açıklanan ideal gaz modeli, gazların özelliklerini benzersiz bir şekilde belirler. Bu model ilk olarak Daniel Bernoulli tarafından 1738'de önerildi.
Daha sonra August Kroenig, Rudolf Clausius, Mikhail Lomonosov, James Maxwell, Ludwig Boltzmann, Marian Smoluchowski ve diğer bilim adamları tarafından bugünkü durumuna geliştirilmiştir.
İdeal gaz modelinin temel aldığı akışkan maddelerin kinetik teorisi, sistemin mikroskobik davranışına dayalı olarak iki önemli makroskobik özelliğini açıklar:
- Gazlardaki basınç, parçacıkların kabın duvarlarıyla çarpışmasının sonucudur.
- Sistemdeki sıcaklık, moleküllerin ve atomların sürekli hareketinin tezahürünün sonucudur.
Kinetik teorinin her iki sonucunu da genişletelim.
Gaz basıncı
İdeal gaz modeli, sistemdeki parçacıkların sabit bir kaotik hareketini ve kap duvarlarıyla sürekli çarpışmalarını varsayar. Bu tür çarpışmaların her biri kesinlikle esnek olarak kabul edilir. Parçacık kütlesi küçüktür (≈10-27-10-25 kg). Bu nedenle, bir çarpışmada çok fazla baskı oluşturamaz. Bununla birlikte, parçacıkların sayısı ve dolayısıyla çarpışmaların sayısı çok büyüktür (≈1023). Ayrıca, elementlerin ortalama kare hızı, oda sıcaklığında saniyede birkaç yüz metredir. Bütün bunlar, geminin duvarlarında kayda değer bir baskı oluşmasına yol açar. Aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir:
P=Nmvcp2 / (3V), nerede vcp kök ortalama kare hızdır, m parçacık kütlesidir.
Mutlak sıcaklık
İdeal gaz modeline göre, sıcaklık, çalışılan sistemdeki bir molekül veya atomun ortalama kinetik enerjisi tarafından benzersiz bir şekilde belirlenir. İdeal bir gaz için kinetik enerji ve mutlak sıcaklık ile ilgili aşağıdaki ifadeyi yazabilirsiniz:
mvcp2 / 2=3 / 2kB T.
Burada kB Boltzmann sabitidir. Bu eşitlikten şunu elde ederiz:
T=m vcp2 / (3kB).
Evrensel hal denklemi
Mutlak basınç P ve mutlak sıcaklık T için yukarıdaki ifadeleri birleştirirsek, aşağıdaki eşitliği yazabiliriz:
PV=nRT.
Burada n, maddenin mol cinsinden miktarıdır, R, D. I. Mendeleev tarafından tanıtılan gaz sabitidir. Bu ifade, ideal gazlar teorisindeki en önemli denklemdir, çünkü üç termodinamik parametreyi (V, P, T) birleştirir ve gaz sisteminin kimyasal özelliklerine bağlı değildir.
Evrensel denklem ilk olarak 19. yüzyılda Fransız fizikçi Emile Clapeyron tarafından deneysel olarak türetildi ve daha sonra Rus kimyager Mendeleev tarafından modern formuna getirildi, bu yüzden şu anda bu bilim adamlarının isimlerini taşıyor.
