Termodinamik açısından gazlar, başlıca sıcaklık, basınç ve hacim olan bir dizi makroskopik özellik ile tanımlanır. Bu parametrelerden birinin sabitliği ve diğer ikisindeki değişiklik, gazda şu veya bu izoprosesin meydana geldiğini gösterir. Bu makaleyi, bunun izokorik bir süreç olduğu, bir gaz sisteminin durumlarındaki izotermal ve izobarik değişikliklerden nasıl farklı olduğu sorularına ayrıntılı bir cevap vermeye adayacağız.
Fizikte ideal gaz
Bunun izokorik bir süreç olduğu sorusunu yanıtlamadan önce ideal gaz kavramını daha iyi öğrenmelisiniz. Fizikte, kendisini oluşturan parçacıkların ortalama kinetik enerjisinin etkileşimlerinin potansiyel enerjisini çok aştığı ve bu parçacıklar arasındaki mesafelerin lineer boyutlarından birkaç kat daha büyük olduğu herhangi bir gaz olarak anlaşılır. Belirtilen koşullar altında, gerçekleştirilirken mümkündürhesaplamalar parçacıklar arasındaki etkileşim enerjisini hesaba katmaz (sıfıra eşittir) ve parçacıkların belirli bir kütleye sahip malzeme noktaları olduğu da varsayılabilir m.
İdeal bir gazda gerçekleşen tek işlem, parçacıkların maddeyi içeren kabın duvarlarıyla çarpışmasıdır. Bu çarpışmalar pratikte P. gazında belirli bir basıncın varlığı olarak kendini gösterir.
Kural olarak, nispeten kimyasal olarak inert moleküllerden oluşan ve düşük basınç ve yüksek sıcaklıklara sahip herhangi bir gaz halindeki madde, pratik hesaplamalar için yeterli doğrulukla ideal bir gaz olarak kabul edilebilir.
İdeal gazı tanımlayan denklem
Elbette bunun izokorik bir süreç olduğunu anlamak için iyi anlaşılması gereken Clapeyron-Mendeleev'in evrensel yasasından bahsediyoruz. Böylece, evrensel durum denklemi şu şekildedir:
PV=nRT.
Yani, P basıncının ve V gaz hacminin çarpımı, mutlak sıcaklık T ve mol n cinsinden madde miktarının ürününe eşittir, burada R orantı faktörüdür. Denklemin kendisi ilk olarak 1834'te Emile Clapeyron tarafından yazılmıştır ve 19. yüzyılın 70'lerinde D. Mendeleev, tek bir evrensel gaz sabiti R'nin (8.314 J/(molK) bir dizi sabit değerini değiştirdi.)).
Clapeyron-Mendeleev denklemine göre, kapalı bir sistemde gaz parçacıklarının sayısı sabit kalır, bu nedenle değişebilen sadece üç makroskobik parametre vardır (T, Pve V). İkinci gerçek, aşağıda tartışılacak olan çeşitli izoproseslerin anlaşılmasının temelini oluşturur.
İzokorik süreç nedir?
Bu işlem, hacminin korunduğu sistemin durumundaki herhangi bir değişiklik olarak anlaşılır.
Evrensel hal denklemine dönersek, izokorik bir süreçte bir gazda sadece basınç ve mutlak sıcaklık değişiminin olduğunu söyleyebiliriz. Termodinamik parametrelerin nasıl değiştiğini tam olarak anlamak için ilgili matematiksel ifadeyi yazıyoruz:
P / T=sabit
Bazen bu eşitlik biraz farklı bir biçimde verilir:
P1 / T1=P2 / T 2.
Her iki eşitliğe de 18. yüzyılın sonunda belirtilen bağımlılığı deneysel olarak elde eden bir Fransız bilim adamının adından dolayı Charles kanunu denir.
P(T) fonksiyonunun bir grafiğini oluşturursak, o zaman izokor adı verilen düz bir çizgi bağımlılığı elde ederiz. Herhangi bir izokor (n ve V'nin tüm değerleri için) düz bir çizgidir.
Sürecin enerji açıklaması
Belirtildiği gibi, izokorik bir süreç, kapalı fakat izole olmayan bir sistemde gerçekleşen bir sistemin durumundaki bir değişikliktir. Gaz ve çevre arasında ısı alışverişi olasılığından bahsediyoruz. Genel olarak, sisteme herhangi bir ısı Q beslemesi iki sonuca yol açar:
- iç enerjiyi U değiştirir;
- gazgenişleyen veya küçülen A'yı çalıştırır.
Son çıkarım matematiksel olarak şu şekilde yazılır:
Q=U + A.
İdeal bir gazın izokorik süreci, tanımı gereği, hacmi değişmediği için gazın yaptığı işi ifade etmez. Bu, sisteme verilen tüm ısının iç enerjisini artırmaya gittiği anlamına gelir:
Q=U.
İç enerjinin açık formülünü bu ifadeye koyarsak, izokorik sürecin ısısı şu şekilde temsil edilebilir:
Q=z / 2nRT.
Burada z, gazı oluşturan moleküllerin çok atomlu doğası tarafından belirlenen serbestlik derecesi sayısıdır. Tek atomlu bir gaz için, z=3, iki atomlu bir gaz için - 5 ve bir triatomik ve daha fazlası için - 6. Burada, serbestlik dereceleri altında, öteleme ve dönme derecelerini kastediyoruz.
Bir gaz sistemini izokorik ve izobarik süreçlerde ısıtmanın verimliliğini karşılaştırırsak, o zaman ilk durumda maksimum verimi elde ederiz, çünkü sistemin durumundaki izobarik değişim sırasında gaz genişler ve ısı girdisinin bir kısmı iş yapmak için harcanır.
İzobarik süreç
Yukarıda bunun izokorik bir süreç olduğunu ayrıntılı olarak açıkladık. Şimdi diğer izoprosesler hakkında birkaç söz söyleyelim. İzobarik ile başlayalım. Adından hareketle, sistemin sabit basınçta durumlar arasında geçişi olarak anlaşılmaktadır. Bu süreç Gay-Lussac yasası tarafından şu şekilde açıklanmaktadır:
V / T=sabit
İzokorda olduğu gibi, V(T) izobar da grafikte düz bir çizgiyi temsil eder.
içinHerhangi bir izobarik süreçte, sabit basınç ve hacimdeki değişimin çarpımına eşit olduğundan gaz tarafından yapılan işi hesaplamak uygundur.
İzotermal süreç
Bu, sistemin sıcaklığının sabit kaldığı bir süreçtir. İdeal bir gaz için Boyle-Mariotte yasası ile tanımlanır. Bunun deneysel olarak keşfedilen ilk gaz yasası olduğunu belirtmek ilginçtir (17. yüzyılın ikinci yarısı). Matematiksel gösterimi şuna benzer:
PV=sabit
İzokorik ve izotermal süreçler, P(V) işlevi doğrusal değil hiperbolik olduğundan, grafik gösterimleri açısından farklılık gösterir.
Problem çözme örneği
Makalede verilen teorik bilgileri pratik bir problemi çözmek için uygulamalarıyla pekiştirelim. Saf gaz halindeki nitrojenin 1 atmosfer basınçta ve 25 °C sıcaklıkta bir silindirde olduğu bilinmektedir. Gaz silindiri ısıtıldıktan ve içindeki basınç ölçüldükten sonra 1.5 atmosfer olduğu ortaya çıktı. Isıtmadan sonra silindirdeki gazın sıcaklığı nedir? Balonda 4 mol nitrojen olsaydı gazın iç enerjisi ne kadar değişirdi?
İlk soruyu yanıtlamak için şu ifadeyi kullanırız:
P1 / T1=P2 / T 2.
Nereden geliyoruz:
T2=P2 / P1 T 1.
Bu ifadede, basınç keyfi birimlerde değiştirilebilirölçümler, küçüldükleri ve sıcaklık sadece kelvin cinsinden olduğu için. Bununla şunu elde ederiz:
T2=1,5 /1298,15=447.224 Bin.
Santigrat derece cinsinden hesaplanan sıcaklık 174 °C'dir.
Azot molekülü iki atomlu olduğundan, ısıtma sırasında iç enerjisindeki değişim şu şekilde belirlenebilir:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Bilinen değerleri bu ifadeye koyarak sorunun ikinci sorusunun cevabını alacağız: ΔU=+12.4 kJ.
