هر فردی در طول زندگی خود با اجسامی مواجه می شود که در یکی از سه حالت مجموع ماده قرار دارند. ساده ترین حالت تجمع برای مطالعه گاز است. در این مقاله مفهوم گاز ایده آل را در نظر می گیریم، معادله حالت سیستم را بیان می کنیم و همچنین کمی به توصیف دمای مطلق می پردازیم.
حالت گازی ماده
هر دانش آموز با شنیدن کلمه "گاز" ایده خوبی از اینکه در مورد چه وضعیت ماده صحبت می کند، دارد. این کلمه بدنی است که قادر به اشغال هر حجمی است که به آن ارائه می شود. قادر به حفظ شکل خود نیست، زیرا نمی تواند حتی در برابر کوچکترین تأثیر خارجی مقاومت کند. همچنین، گاز حجم را حفظ نمی کند، که آن را نه تنها از جامدات، بلکه از مایعات نیز متمایز می کند.
مانند یک مایع، گاز نیز یک ماده سیال است. در فرآیند حرکت اجسام جامد در گازها، گازها مانع از این حرکت می شوند. نیروی حاصله مقاومت نامیده می شود. ارزش آن بستگی داردسرعت بدن در گاز.
نمونه های قوی گازها عبارتند از: هوا، گاز طبیعی که برای گرم کردن خانه ها و پخت و پز استفاده می شود، گازهای بی اثر (Ne، Ar) که برای پر کردن لوله های درخشنده تبلیغاتی استفاده می شود یا برای ایجاد یک محیط بی اثر (غیر تهاجمی، محافظ) هنگام جوشکاری استفاده می شود..
گاز ایده آل
قبل از شرح قوانین گاز و معادله حالت، باید این سوال را به خوبی درک کنید که گاز ایده آل چیست. این مفهوم در نظریه جنبشی مولکولی (MKT) معرفی شده است. گاز ایده آل هر گازی است که ویژگی های زیر را برآورده کند:
- ذراتی که آن را تشکیل می دهند به جز برخوردهای مستقیم مکانیکی با یکدیگر تعامل ندارند.
- در نتیجه برخورد ذرات با دیواره های ظرف یا بین خود، انرژی جنبشی و تکانه آنها حفظ می شود، یعنی برخورد کاملاً کشسان در نظر گرفته می شود.
- ذرات فاقد ابعاد هستند، اما جرم محدودی دارند، یعنی شبیه به نقاط مادی هستند.
طبیعی است که هر گازی ایده آل نیست، بلکه واقعی است. با این حال، برای حل بسیاری از مسائل عملی، این تقریب ها کاملا معتبر هستند و می توان از آنها استفاده کرد. یک قاعده تجربی کلی وجود دارد که می گوید: صرف نظر از ماهیت شیمیایی، اگر گازی دارای دمای بالاتر از دمای اتاق و فشاری در حد اتمسفر یا کمتر باشد، می توان آن را با دقت بالا ایده آل در نظر گرفت و می توان از آن برای توصیف استفاده کرد. آی تی.فرمول معادله گاز ایده آل حالت.
قانون کلاپیرون-مندلیف
انتقال بین حالت‌های مجموع مختلف ماده و فرآیندهای درون یک حالت مجموع توسط ترمودینامیک انجام می‌شود. فشار، دما و حجم سه کمیت هستند که هر حالت یک سیستم ترمودینامیکی را به طور منحصر به فردی تعریف می کنند. فرمول معادله حالت یک گاز ایده آل هر سه این کمیت ها را در یک برابری واحد ترکیب می کند. بیایید این فرمول را بنویسیم:
PV=nRT
در اینجا P، V، T - فشار، حجم، دما، به ترتیب. مقدار n مقدار ماده در مول است و نماد R ثابت جهانی گازها را نشان می دهد. این برابری نشان می دهد که هر چه حاصل ضرب فشار و حجم بیشتر باشد، حاصل ضرب مقدار ماده و دما باید بیشتر باشد.
فرمول معادله حالت گاز را قانون کلاپیرون- مندلیف می نامند. در سال 1834، دانشمند فرانسوی امیل کلاپیرون، با خلاصه کردن نتایج تجربی پیشینیان خود، به این معادله رسید. با این حال، کلاپیرون از تعدادی ثابت استفاده کرد که بعدا مندلیف آنها را با یک ثابت جایگزین کرد - ثابت گاز جهانی R (8، 314 J / (molK)). بنابراین در فیزیک مدرن این معادله به نام دانشمندان فرانسوی و روسی نامگذاری شده است.
سایر اشکال معادله
در بالا، معادله حالت مندلیف-کلاپیرون را برای گاز ایده آل در حالت پذیرفته شده و عمومی نوشتیم.فرم مناسب با این حال، در مسائل مربوط به ترمودینامیک، اغلب ممکن است شکل کمی متفاوت مورد نیاز باشد. سه فرمول دیگر در زیر نوشته شده است که مستقیماً از معادله نوشته شده پیروی می کنند:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
این سه معادله برای یک گاز ایده آل نیز جهانی هستند، فقط در آنها مقادیری مانند جرم m، جرم مولی M، چگالی ρ و تعداد ذرات N که سیستم را تشکیل می دهند ظاهر می شوند. نماد kB در اینجا نشان دهنده ثابت بولتزمن است (1, 3810-23J/K).
قانون بویل-ماریوت
هنگامی که کلاپیرون معادله خود را ترسیم کرد، بر اساس قوانین گازی بود که چندین دهه قبل به صورت تجربی کشف شده بود. یکی از آنها قانون بویل-ماریوت است. این یک فرآیند همدما را در یک سیستم بسته منعکس می کند که در نتیجه آن پارامترهای ماکروسکوپی مانند فشار و حجم تغییر می کند. اگر T و n را برای گاز ایده آل در معادله حالت ثابت قرار دهیم، قانون گاز به شکل زیر در می آید:
P1V1=P2V 2
این قانون بویل-ماریوت است که می گوید حاصلضرب فشار و حجم در طول یک فرآیند همدما دلخواه حفظ می شود. در این حالت، مقادیر P و V خود تغییر می کنند.
اگر P(V) یا V(P) را رسم کنید، ایزوترم ها هذلولی خواهند بود.
قوانین چارلز و گی-لوساک
این قوانین به صورت ریاضی ایزوباریک و ایزوکوریک را توصیف می کنندفرآیندها، یعنی چنین انتقال هایی بین حالت های سیستم گاز، که در آن به ترتیب فشار و حجم حفظ می شود. قانون چارلز را می توان به صورت ریاضی به صورت زیر نوشت:
V/T=const وقتی n، P=const.
قانون گی-لوساک به شرح زیر نوشته شده است:
P/T=const وقتی n، V=const.
اگر هر دو برابری به شکل نمودار ارائه شوند، خطوط مستقیمی خواهیم داشت که در زاویه ای نسبت به محور x متمایل هستند. این نوع نمودار یک تناسب مستقیم بین حجم و دما در فشار ثابت و بین فشار و دما در حجم ثابت را نشان می‌دهد.
توجه داشته باشید که هر سه قانون گاز در نظر گرفته شده ترکیب شیمیایی گاز و همچنین تغییر در مقدار ماده آن را در نظر نمی گیرند.
دمای مطلق
در زندگی روزمره، ما به استفاده از مقیاس درجه حرارت سلسیوس عادت داریم، زیرا برای توصیف فرآیندهای اطرافمان راحت است. بنابراین، آب در 100 oC می جوشد و در ۰ oC منجمد می شود. در فیزیک، این مقیاس ناخوشایند به نظر می رسد، بنابراین، از مقیاس دمای مطلق که در اواسط قرن نوزدهم توسط لرد کلوین معرفی شد، استفاده می شود. مطابق با این مقیاس، دما بر حسب کلوین (K) اندازه گیری می شود.
اعتقاد بر این است که در دمای -273، 15 oC هیچ ارتعاش حرارتی اتم ها و مولکول ها وجود ندارد، حرکت رو به جلو آنها به طور کامل متوقف می شود. این دما بر حسب درجه سانتیگراد برابر با صفر مطلق بر حسب کلوین (0 K) است. از این تعریفمعنای فیزیکی دمای مطلق به شرح زیر است: اندازه گیری انرژی جنبشی ذرات تشکیل دهنده ماده، به عنوان مثال، اتم ها یا مولکول ها.
علاوه بر معنای فیزیکی بالا از دمای مطلق، رویکردهای دیگری نیز برای درک این کمیت وجود دارد. یکی از آنها قانون گاز ذکر شده چارلز است. بیایید آن را به شکل زیر بنویسیم:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
آخرین برابری می گوید که در مقدار معینی از ماده در سیستم (مثلاً 1 مول) و فشار معینی (مثلاً 1 Pa)، حجم گاز به طور منحصر به فردی دمای مطلق را تعیین می کند. به عبارت دیگر افزایش حجم گاز در این شرایط تنها به دلیل افزایش دما امکان پذیر است و کاهش حجم نشان دهنده کاهش مقدار T است.
به یاد بیاورید که برخلاف دمای سلسیوس، دمای مطلق نمی تواند منفی باشد.
اصل آووگادرو و مخلوط‌های گازی
علاوه بر قوانین گاز فوق، معادله حالت گاز ایده آل نیز به اصل کشف شده توسط آمدئو آووگادرو در آغاز قرن نوزدهم منتهی می شود که نام خانوادگی او را یدک می کشد. این اصل ثابت می کند که حجم هر گاز در فشار و دمای ثابت با مقدار ماده موجود در سیستم تعیین می شود. فرمول مربوطه به این صورت است:
n/V=const زمانی که P، T=const.
عبارت نوشته شده منجر به قانون معروف دالتون در فیزیک گازهای ایده آل برای مخلوط های گازی می شود. اینقانون می گوید که فشار جزئی یک گاز در یک مخلوط به طور منحصر به فرد توسط کسر اتمی آن تعیین می شود.
نمونه ای از حل مسئله
در یک ظرف بسته با دیواره های سفت و محکم حاوی گاز ایده آل، در نتیجه حرارت دادن، فشار 3 برابر افزایش یافت. اگر مقدار اولیه سیستم 25 oC باشد، لازم است دمای نهایی سیستم تعیین شود.
ابتدا، اجازه دهید دما را از درجه سانتیگراد به کلوین تبدیل کنیم، داریم:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
از آنجایی که دیواره های رگ سفت هستند، فرآیند گرمایش را می توان ایزوکوریک در نظر گرفت. برای این مورد، ما قانون Gay-Lussac را اعمال می کنیم، داریم:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
بنابراین دمای نهایی از حاصل ضرب نسبت فشار و دمای اولیه تعیین می شود. با جایگزینی داده‌ها به برابری، به پاسخ می‌رسیم: T2=894.45 K. این دما مطابق با 621.3 oC.
است.
