حالت گازی ماده اطراف ما یکی از سه شکل رایج ماده است. در فیزیک، این حالت سیال تجمع معمولاً در تقریب یک گاز ایده آل در نظر گرفته می شود. با استفاده از این تقریب، ما در مقاله فرآیندهای ایزوفرایند ممکن در گازها را شرح می دهیم.
گاز ایده آل و معادله جهانی برای توصیف آن
گاز ایده آل گازی است که ذرات آن ابعاد نداشته باشند و با یکدیگر برهمکنش نداشته باشند. بدیهی است که هیچ گازی وجود ندارد که دقیقاً این شرایط را برآورده کند، زیرا حتی کوچکترین اتم - هیدروژن، اندازه خاصی دارد. علاوه بر این، حتی بین اتم های گاز نجیب خنثی، یک برهمکنش ضعیف واندروالسی وجود دارد. سپس این سوال مطرح می شود: در چه مواردی می توان از اندازه ذرات گاز و تعامل بین آنها غافل شد؟ پاسخ به این سوال رعایت شرایط فیزیکوشیمیایی زیر خواهد بود:
- فشار پایین (حدود 1 اتمسفر و کمتر)؛
- دمای بالا (در حدود دمای اتاق و بالاتر)؛
بی اثری شیمیایی مولکول ها و اتم هاگاز.
اگر حداقل یکی از شروط برآورده نشد، آنگاه گاز باید واقعی در نظر گرفته شود و با یک معادله وندروالس خاص توصیف شود.
معادله مندلیف-کلاپیرون باید قبل از مطالعه ایزوفرایندها در نظر گرفته شود. معادله گاز ایده آل نام دوم آن است. نماد زیر را دارد:
PV=nRT
یعنی سه پارامتر ترمودینامیکی را به هم مرتبط می کند: فشار P، دمای T و حجم V، و همچنین مقدار n ماده. نماد R در اینجا نشان دهنده ثابت گاز است، برابر با 8.314 J / (Kmol).
ایزوفرایندها در گازها چیست؟
این فرآیندها به عنوان انتقال بین دو حالت مختلف گاز (اولیه و نهایی) شناخته می شوند که در نتیجه برخی از کمیت ها حفظ می شوند و برخی دیگر تغییر می کنند. سه نوع فرآیند همسان در گازها وجود دارد:
- ایزوترمال؛
- ایزوباریک؛
- ایزوکوریک.
لازم به ذکر است که همه آنها در دوره نیمه دوم قرن هفدهم تا دهه 30 قرن نوزدهم به طور تجربی مورد مطالعه و توصیف قرار گرفتند. بر اساس این نتایج تجربی، Émile Clapeyron در سال 1834 معادله ای را استخراج کرد که برای گازها جهانی است. این مقاله برعکس ساخته شده است - با استفاده از معادله حالت، فرمول هایی را برای فرآیندهای همسان در گازهای ایده آل به دست می آوریم.
انتقال در دمای ثابت
به آن فرآیند همدما می گویند. از معادله حالت یک گاز ایده آل، نتیجه می شود که در دمای مطلق ثابت در یک سیستم بسته، محصول باید ثابت بماند.حجم به فشار، به عنوان مثال:
PV=Const
این رابطه در واقع توسط رابرت بویل و ادم ماریوته در نیمه دوم قرن هفدهم مشاهده شد، بنابراین برابری ثبت شده در حال حاضر نام آنها را دارد.
وابستگی های تابعی P(V) یا V(P)، که به صورت گرافیکی بیان می شوند، شبیه هذلولی هستند. هر چه دمایی که آزمایش همدما در آن انجام شود بیشتر باشد، محصول PV بیشتر است.
در یک فرآیند همدما، یک گاز منبسط یا منقبض می شود و بدون تغییر انرژی درونی خود کار را انجام می دهد.
انتقال در فشار ثابت
حالا بیایید فرآیند ایزوباریک را مطالعه کنیم که در طی آن فشار ثابت نگه داشته می شود. نمونه ای از چنین انتقالی گرمایش گاز زیر پیستون است. در نتیجه گرما، انرژی جنبشی ذرات افزایش می یابد، آنها بیشتر و با نیروی بیشتری شروع به ضربه زدن به پیستون می کنند، در نتیجه گاز منبسط می شود. در فرآیند انبساط، گاز کارهایی را انجام می دهد که راندمان آن 40% است (برای یک گاز تک اتمی).
برای این فرآیند ایزو، معادله حالت یک گاز ایده آل می گوید که رابطه زیر باید برقرار باشد:
V/T=Const
اگر فشار ثابت به سمت راست معادله کلاپیرون و دما به سمت چپ منتقل شود آسان است. این برابری قانون چارلز نامیده می شود.
برابری نشان می دهد که توابع V(T) و T(V) مانند خطوط مستقیم در نمودارها به نظر می رسند. شیب خط V(T) نسبت به آبسیسا کوچکتر خواهد بود، فشار بیشتر می شود.پ.
انتقال در حجم ثابت
آخرین فرآیند ایزوکوریک در گازها که در مقاله به آن خواهیم پرداخت، انتقال ایزوکوریک است. با استفاده از معادله کلی کلاپیرون، به راحتی می توان برابری زیر را برای این انتقال به دست آورد:
P/T=Const
گذار ایزوکوریک توسط قانون گی-لوساک توصیف شده است. مشاهده می شود که از نظر گرافیکی توابع P(T) و T(P) خطوط مستقیم خواهند بود. در بین هر سه فرآیند ایزوکوریک، ایزوکوریک در صورت نیاز به افزایش دمای سیستم به دلیل تامین گرمای خارجی، کارآمدترین است. در طی این فرآیند، گاز هیچ کاری نمی کند، یعنی تمام گرما به سمت افزایش انرژی داخلی سیستم هدایت می شود.
