موضوع اصلی مطالعه ترمودینامیک سیستم های گازی تغییر حالت های ترمودینامیکی است. در نتیجه چنین تغییراتی، گاز می تواند کار کند و انرژی داخلی را ذخیره کند. اجازه دهید در مقاله زیر انتقال ترمودینامیکی مختلف در یک گاز ایده آل را مطالعه کنیم. توجه ویژه ای به مطالعه نمودار فرآیند همدما خواهد شد.
گازهای ایده آل
با قضاوت بر اساس نام، می توان گفت که گازهای 100٪ ایده آل در طبیعت وجود ندارند. با این حال، بسیاری از مواد واقعی این مفهوم را با دقت عملی برآورده می‌کنند.
گاز ایده آل هر گازی است که در آن فعل و انفعالات بین ذرات و اندازه آنها نادیده گرفته شود. هر دو شرط فقط در صورتی برآورده می شوند که انرژی جنبشی مولکول ها بسیار بیشتر از انرژی پتانسیل پیوندهای بین آنها باشد و فاصله بین مولکول ها بسیار بزرگتر از اندازه ذرات باشد.
برای تعیین اینکه کدام استاگر گاز مورد مطالعه ایده آل است، می توانید از یک قانون ساده استفاده کنید: اگر دمای سیستم بالاتر از دمای اتاق باشد، فشار با فشار اتمسفر یا کمتر از آن و مولکول های تشکیل دهنده سیستم تفاوت زیادی ندارد. از نظر شیمیایی بی اثر هستند، پس گاز ایده آل خواهد بود.
قانون اصلی
ما در مورد معادله گاز ایده آل صحبت می کنیم که به آن قانون کلاپیرون- مندلیف نیز می گویند. این معادله در دهه 30 قرن نوزدهم توسط مهندس و فیزیکدان فرانسوی امیل کلاپیرون نوشته شد. چند دهه بعد، مندلیف شیمیدان روسی آن را به شکل مدرن خود آورد. این معادله به شکل زیر است:
PV=nRT.
در سمت چپ معادله حاصل ضرب فشار P و حجم V، در سمت راست معادله حاصل ضرب دما T و مقدار ماده n است. R ثابت گاز جهانی است. توجه داشته باشید که T دمای مطلق است که بر حسب کلوین اندازه گیری می شود.
قانون کلاپیرون- مندلیف ابتدا از نتایج قوانین گازهای قبلی به دست آمد، یعنی صرفاً بر اساس پایه تجربی بود. با توسعه فیزیک مدرن و نظریه جنبشی سیالات، معادله گاز ایده آل را می توان از در نظر گرفتن رفتار میکروسکوپی ذرات سیستم به دست آورد.
فرایند همدما
صرف نظر از اینکه این فرآیند در گازها، مایعات یا جامدات رخ می دهد، تعریف بسیار روشنی دارد. انتقال همدما انتقال بین دو حالت است که در آن دمای سیستم وجود داردحفظ می شود، یعنی بدون تغییر باقی می ماند. بنابراین نمودار فرآیند همدما در محورهای زمان (محور x) - دما (محور y) یک خط افقی خواهد بود.
در رابطه با گاز ایده آل، متذکر می شویم که انتقال همدما برای آن قانون بویل-ماریوت نامیده می شود. این قانون به صورت تجربی کشف شد. علاوه بر این، او اولین نفر در این زمینه شد (نیمه دوم قرن هفدهم). اگر هر دانش آموزی رفتار گاز را در یک سیستم بسته (n=const) در دمای ثابت (T=const) در نظر بگیرد، می تواند به دست آید. با استفاده از معادله حالت، به دست می آوریم:
nRT=const=>
PV=Const.
آخرین برابری قانون بویل-ماریوت است. در کتاب های درسی فیزیک، می توانید این شکل از نوشتن آن را نیز پیدا کنید:
P1 V1=P2 V 2.
در طول انتقال از حالت همدما 1 به حالت ترمودینامیکی 2، حاصلضرب حجم و فشار برای یک سیستم گاز بسته ثابت می ماند.
قانون مورد مطالعه از تناسب معکوس بین مقادیر P و V صحبت می کند:
P=Const / V.
این بدان معناست که نمودار فرآیند همدما در یک گاز ایده آل یک منحنی هذلولی خواهد بود. سه هذلولی در شکل زیر نشان داده شده است.
هر یک از آنها ایزوترم نامیده می شود. هر چه دما در سیستم بیشتر باشد، ایزوترم از محورهای مختصات دورتر خواهد بود. از شکل بالا می توان نتیجه گرفت که رنگ سبز مربوط به بالاترین دمای سیستم و آبی با کمترین آن است، مشروط بر اینکه میزان ماده در هر سهسیستم ها یکسان است اگر تمام ایزوترم های شکل برای یک دما ساخته شده باشند، این بدان معناست که منحنی سبز از نظر مقدار ماده با بزرگترین سیستم مطابقت دارد.
تغییر در انرژی داخلی در طی فرآیند همدما
در فیزیک گازهای ایده آل، انرژی داخلی به عنوان انرژی جنبشی مرتبط با حرکت چرخشی و انتقالی مولکول ها درک می شود. از تئوری جنبشی به راحتی می توان فرمول زیر را برای انرژی داخلی U بدست آورد:
U=z / 2nRT.
که در آن z تعداد درجات حرکت آزاد مولکولها است. محدوده آن از 3 (گاز تک اتمی) تا 6 (مولکول های چند اتمی) است.
در مورد فرآیند همدما، دما ثابت می ماند، به این معنی که تنها دلیل تغییر انرژی درونی خروج یا ورود ذرات ماده به سیستم است. بنابراین، در سیستم های بسته، در طول تغییر همدما در حالت آنها، انرژی داخلی حفظ می شود.
فرایندهای ایزوباریک و ایزوکوریک
علاوه بر قانون بویل-ماریوت، دو قانون اساسی گاز دیگر نیز وجود دارد که به صورت تجربی نیز کشف شدند. آنها نام چارلز فرانسوی و گی-لوساک را دارند. از نظر ریاضی، آنها به این صورت نوشته می شوند:
V / T=const هنگامی که P=const;
P / T=const هنگامی که V=const.
قانون چارلز می گوید که در طول یک فرآیند همسان (P=const) حجم به طور خطی به دمای مطلق بستگی دارد. قانون گی-لوساک یک رابطه خطی بین فشار و دمای مطلق در حالت ایزوکوریک را نشان می دهدانتقال (V=const).
از برابری های داده شده به دست می آید که نمودارهای انتقال ایزوباریک و ایزوکوریک به طور قابل توجهی با فرآیند همدما متفاوت است. اگر ایزوترم شکل هذلولی داشته باشد، ایزوبار و ایزوکور خطوط مستقیم هستند.
فرایند ایزوباریک- همدما
هنگام در نظر گرفتن قوانین گاز، گاهی فراموش می شود که علاوه بر مقادیر T، P و V، مقدار n در قانون کلاپیرون- مندلیف نیز می تواند تغییر کند. اگر فشار و دما را ثابت کنیم، معادله انتقال همدما به همدما بدست می آید:
n / V=Const هنگامی که T=const، P=const.
رابطه خطی بین مقدار ماده و حجم نشان می دهد که در شرایط یکسان، گازهای مختلف حاوی مقدار یکسان ماده حجم مساوی را اشغال می کنند. به عنوان مثال، در شرایط عادی (0 oC، 1 اتمسفر)، حجم مولی هر گاز 22.4 لیتر است. قانون مورد نظر را اصل آووگادرو می نامند. زیربنای قانون دالتون در مورد مخلوط گازهای ایده آل است.
