Gaz sistemlerinin termodinamiğini çalışmanın ana konusu termodinamik hallerdeki değişimdir. Bu tür değişikliklerin bir sonucu olarak, gaz iş yapabilir ve iç enerjiyi depolayabilir. Aşağıdaki yazıda ideal bir gazda farklı termodinamik geçişleri inceleyelim. İzotermal sürecin grafiğini incelemeye özellikle dikkat edilecektir.
İdeal gazlar
Adından yola çıkarak, doğada %100 ideal gazların bulunmadığını söyleyebiliriz. Bununla birlikte, birçok gerçek madde bu kavramı pratik doğrulukla karşılar.
İdeal gaz, parçacıkları ve boyutları arasındaki etkileşimlerin ihmal edilebileceği herhangi bir gazdır. Her iki koşul da ancak moleküllerin kinetik enerjisi, aralarındaki bağların potansiyel enerjisinden çok daha büyük olacaksa ve moleküller arasındaki mesafeler parçacık boyutundan çok daha büyük olacaksa sağlanır.
Hangisinin olduğunu belirlemek içinİncelenen gaz ideal ise, basit bir başparmak kuralı kullanabilirsiniz: sistemdeki sıcaklık oda sıcaklığının üzerindeyse, basınç atmosferik basınçtan çok farklı veya bundan daha düşük değilse ve sistemi oluşturan moleküller kimyasal olarak inertse, gaz ideal olacaktır.
Ana Kanun
Clapeyron-Mendeleev yasası olarak da adlandırılan ideal gaz denkleminden bahsediyoruz. Bu denklem XIX yüzyılın 30'larında Fransız mühendis ve fizikçi Emile Clapeyron tarafından yazılmıştır. Birkaç on yıl sonra, Rus kimyager Mendeleev onu modern formuna getirdi. Bu denklem şuna benzer:
PV=nRT.
Denklemin sol tarafında basınç P ve hacim V'nin çarpımı, denklemin sağ tarafında sıcaklık T ve madde miktarının çarpımı var. R evrensel gaz sabitidir. T'nin Kelvin cinsinden ölçülen mutlak sıcaklık olduğuna dikkat edin.
Clapeyron-Mendeleev yasası ilk olarak önceki gaz yasalarının sonuçlarından elde edildi, yani yalnızca deneysel temele dayanıyordu. Modern fiziğin ve akışkanların kinetik teorisinin gelişmesiyle, ideal gaz denklemi, sistemin parçacıklarının mikroskobik davranışını dikkate alarak türetilebilir.
İzotermal süreç
Bu işlemin gazlarda, sıvılarda veya katılarda meydana gelmesinden bağımsız olarak, çok net bir tanımı vardır. İzotermal geçiş, sistemin sıcaklığının değiştiği iki durum arasındaki geçiştir.korunur, yani değişmeden kalır. Bu nedenle, zaman (x ekseni) - sıcaklık (y ekseni) eksenlerinde izotermal işlemin grafiği yatay bir çizgi olacaktır.
İdeal bir gazla ilgili olarak, onun için izotermal geçişin Boyle-Mariotte yasası olarak adlandırıldığını not ediyoruz. Bu yasa deneysel olarak keşfedildi. Ayrıca, bu alanda ilk oldu (17. yüzyılın ikinci yarısı). Sabit bir sıcaklıkta (T=const) kapalı bir sistemdeki (n=const) gazın davranışını göz önünde bulundurursa, her öğrenci tarafından elde edilebilir. Durum denklemini kullanarak şunu elde ederiz:
nRT=sabit=>
PV=sabit
Son eşitlik Boyle-Mariotte yasasıdır. Fizik ders kitaplarında, bunu yazmanın şu şeklini de bulabilirsiniz:
P1 V1=P2 V 2.
İzotermik durum 1'den termodinamik durum 2'ye geçiş sırasında, kapalı bir gaz sistemi için hacim ve basıncın çarpımı sabit kalır.
İncelenen yasa, P ve V değerleri arasındaki ters orantılılıktan bahsediyor:
P=const / V.
Bu, ideal bir gazdaki izotermal sürecin grafiğinin bir hiperbol eğrisi olacağı anlamına gelir. Aşağıdaki şekilde üç hiperbol gösterilmiştir.
Her birine izoterm denir. Sistemdeki sıcaklık ne kadar yüksek olursa, izoterm koordinat eksenlerinden o kadar uzak olur. Yukarıdaki şekilden, yeşilin sistemdeki en yüksek sıcaklığa ve mavinin en düşük sıcaklığa karşılık geldiği sonucuna varabiliriz, ancak her üçündeki madde miktarı da sağlanır.sistemler aynıdır. Şekildeki tüm izotermler aynı sıcaklık için oluşturulmuşsa, bu, yeşil eğrinin madde miktarı açısından en büyük sisteme karşılık geldiği anlamına gelir.
İzotermal bir süreç sırasında iç enerjideki değişim
İdeal gazların fiziğinde, iç enerji, moleküllerin dönme ve öteleme hareketiyle ilişkili kinetik enerji olarak anlaşılır. Kinetik teoriden, U iç enerjisi için aşağıdaki formülü elde etmek kolaydır:
U=z / 2nRT.
Z, moleküllerin serbest hareket derecesinin sayısıdır. 3 (monatomik gaz) ile 6 (poliatomik moleküller) arasında değişir.
İzotermal bir işlem durumunda, sıcaklık sabit kalır, yani iç enerjideki değişimin tek nedeni madde parçacıklarının sisteme çıkışı veya gelmesidir. Böylece kapalı sistemlerde durumlarındaki izotermal değişim sırasında iç enerji korunur.
İzobarik ve izokorik süreçler
Boyle-Mariotte yasasına ek olarak, deneysel olarak da keşfedilen iki temel gaz yasası daha vardır. Fransız Charles ve Gay-Lussac isimlerini taşıyorlar. Matematiksel olarak şöyle yazılırlar:
V / T=const ne zaman P=const;
P / T=sabit olduğunda V=sabit
Charles' yasası, izobarik bir süreç (P=const) sırasında hacmin mutlak sıcaklığa doğrusal olarak bağlı olduğunu söyler. Gay-Lussac yasası, izokorik sıcaklıkta basınç ve mutlak sıcaklık arasında doğrusal bir ilişki olduğunu gösterir.geçiş (V=const).
Verilen eşitliklerden, izobarik ve izokorik geçişlerin grafiklerinin izotermal süreçten önemli ölçüde farklı olduğu sonucu çıkar. İzoterm bir hiperbol şeklindeyse, izobar ve izokor düz çizgilerdir.
İzobarik-izotermal süreç
Gaz yasaları düşünüldüğünde bazen T, P ve V değerlerine ek olarak Clapeyron-Mendeleev yasasındaki n değerinin de değişebileceği unutulmaktadır. Basıncı ve sıcaklığı sabitlersek, izobarik-izotermal geçiş denklemini elde ederiz:
n / V=const olduğunda T=const, P=const.
Madde miktarı ve hacim arasındaki doğrusal ilişki, aynı koşullar altında, aynı miktarda madde içeren farklı gazların eşit hacimleri işgal ettiğini gösterir. Örneğin, normal koşullar altında (0 oC, 1 atmosfer), herhangi bir gazın molar hacmi 22,4 litredir. Dikkate alınan yasaya Avogadro ilkesi denir. D alton'un ideal gaz karışımları yasasının temelini oluşturur.
