Jednadžba stanja idealnog plina i osjećaj apsolutne temperature

Svaka osoba tijekom svog života susreće tijela koja su u jednom od tri agregatna stanja materije. Najjednostavnije stanje agregacije za proučavanje je plin. U članku ćemo razmotriti koncept idealnog plina, dati jednadžbu stanja sustava, a također ćemo obratiti određenu pozornost na opis apsolutne temperature.

Plinsko stanje materije

Svaki učenik ima dobru ideju o kakvom stanju materije govorimo kad čuje riječ "plin". Pod ovom riječju podrazumijeva se tijelo koje je sposobno zauzeti bilo koji volumen koji mu je dan. Nije u stanju zadržati oblik, jer se ne može oduprijeti ni najmanjim vanjskim utjecajima. Također, plin ne zadržava volumen, što ga razlikuje ne samo od krutina, već i od tekućina.

Poput tekućine, plin je tekuća tvar. U procesu kretanja krutih tvari u plinovima, potonji ometaju to kretanje. Sila koja se pojavila naziva se otpor. Njegova vrijednost ovisi o brzini kretanja tijela u plinu.

Glavni primjeri plinova su zrak, prirodni plin, koji se koristi za grijanje kuća i kuhanje, inertni plinovi (Ira, Ira) koji ispunjavaju reklamne cijevi za tinjajuće pražnjenje ili koji se koriste za stvaranje inertnog (neagresivnog, zaštitnog) okruženja tijekom zavarivanja.

Idealan plin

Prije nego što nastavite s opisom Zakona o plinu i jednadžbe stanja, trebali biste dobro razumjeti pitanje što je idealan plin. To je pojam uvodi se u molekularno-kinetičku teoriju (MKT). Idealan je bilo koji plin koji zadovoljava sljedeće karakteristike:

• Čestice koje ga tvore ne međusobno djeluju, osim u izravnim mehaničkim sudarima.
• Kao rezultat sudara čestica sa stijenkama posude ili između njih, njihova kinetička energija i količina gibanja su očuvani, odnosno sudar se smatra apsolutno Elastičnim.
• Čestice nemaju dimenzije, ali imaju konačnu masu, odnosno slične su materijalnim točkama.

Naravno, bilo koji plin nije idealan, već stvaran. Ipak, za rješavanje mnogih praktičnih problema ove su aproksimacije sasvim poštene i mogu se koristiti. Postoji opće pravilo koje kaže: bez obzira na kemijsku prirodu, ako plin ima temperaturu iznad sobne temperature i tlak reda atmosferskog ili nižeg, tada se može smatrati idealnim s velikom točnošću i primijeniti na njegovi opisi formula jednadžbe stanja idealnog plina.

Klapeiron-Mendelejev Zakon

Termodinamika se bavi prijelazima između različitih agregatnih stanja materije i procesa unutar jednog agregatnog stanja. Tlak, temperatura i volumen su tri veličine koje jedinstveno određuju bilo koje stanje termodinamičkog sustava. Formula jednadžbe stanja idealnog plina kombinira sve tri navedene vrijednosti u jedinstvenu jednakost. Napišimo ovu formulu:

P*V = n*R*T

Ovdje su Ain, Ain, Ain-tlak, volumen, temperatura, respektivno. Magnituda AIP-a je količina tvari u molovima, a simbol AIP-a označava univerzalnu konstantu plinova. Ova jednakost pokazuje da što je veći umnožak tlaka i volumena, to mora biti veći umnožak količine tvari i temperature.

Formula jednadžbe stanja plina naziva se Klapeuron-Mendelejev zakon. 1834. francuski znanstvenik Emil Clapeiron, generalizirajući eksperimentalne rezultate svojih prethodnika, došao je do ove jednadžbe. Međutim, Klapeiron je koristio niz konstanti, koje je Mendeleev naknadno zamijenio jednom-univerzalnom konstantom plina (8.314 J / (mol * K)). Stoga se u modernoj fizici ova jednadžba naziva prezimenima francuskih i ruskih znanstvenika.

Ostali oblici pisanja jednadžbe

Iznad smo zapisali jednadžbu stanja idealnog plina Mendeleev-Klapeiron u općeprihvaćenom i prikladnom obliku. Međutim, u problemi u termodinamici često može zahtijevati malo drugačiji izgled. U nastavku su zapisane još tri formule koje izravno slijede iz zapisane jednadžbe:

P*V = N*k_B*T;

P*V = m/M*R*T;

P = ρ*R*T/M.

Ove tri jednadžbe su također univerzalne za savršenu plina, samo se u njima pojavljuju količine kao što su masa ama, Molarna masa Ama, gustoća ama i broj čestica ama koje čine sustav. Simbol k_B ovdje je označena Boltzmannova konstanta (1,38 * 10^-23 J / K).

Boille-Mariotteov Zakon

Kad je Clapeiron sastavio svoju jednadžbu, temeljio se na plinskim zakonima koji su eksperimentalno otkriveni nekoliko desetljeća ranije. Jedan od njih je boille-Mariotteov zakon. Odražava izotermni proces u zatvorenom sustavu, pri čemu se takvi makroskopski parametri mijenjaju, kao pritisak i volumen. Ako u jednadžbu stanja idealnog plina stavimo konstantu i IP-a, tada će zakon o plinu poprimiti oblik:

P₁*V₁ = P₂*V₂

To je boille-Mariotteov zakon, koji kaže da se umnožak tlaka i volumena čuva tijekom proizvoljnog izotermnog procesa. U tom se slučaju mijenjaju i same veličine Ace i Ace.

Ako prikazujemo grafikon ovisnosti o Ama(ama) ili Ama(ama), tada će izoterme biti hiperbole.

Zakoni Charlesa i gej-Lussaca

Ovi zakoni matematički opisuju izobarni i izohorni procesi, odnosno takvi prijelazi između stanja plinskog sustava, pod kojim tlak i volumen su sačuvani, respektivno. Charlesov zakon može se matematički zapisati na sljedeći način:

V/T = const pri n, P = const.

Zakon Peder-Lussac bilježi se ovako:

P/T = const pri n, V = const.

Ako su obje jednakosti predstavljene u obliku grafa, tada dobivamo ravne linije koje su pod nekim kutom nagnute prema osi apscise. Ova vrsta grafikona govori o izravnoj proporcionalnosti između volumena i temperature pri konstantnom tlaku i između tlaka i temperature pri konstantnom volumenu.

Imajte na umu da sva tri razmatrana Zakona o plinu ne uzimaju u obzir kemijski sastav plina, kao ni promjenu njegove količine tvari.

Apsolutna temperatura

U svakodnevnom životu navikli smo koristiti Celzijevu temperaturnu ljestvicu, jer je prikladna za opisivanje procesa oko nas. Dakle, voda ključa na temperaturi od 100 ^oI smrzava se na 0 ^oC. U fizici se ova ljestvica pokazuje neugodnom, pa se primjenjuje takozvana apsolutna temperaturna ljestvica, koju je uveo Lord Kelvin sredinom stoljeća. Prema ovoj ljestvici, temperatura se mjeri u Kelvinima (K).

Smatra se da na temperaturi od -273,15 ^oNe postoje toplinske vibracije atoma i molekula, njihovo translacijsko kretanje potpuno prestaje. Ova temperatura u Celzijevim stupnjevima odgovara apsolutnoj nuli u Kelvinima (0 K). Iz ove definicije proizlazi fizičko značenje apsolutne temperature: ona je mjera kinetičke energije čestica koje čine materiju, na primjer atoma ili molekula.

Osim gore navedenog fizičkog značenja apsolutne temperature, postoje i drugi pristupi razumijevanju ove veličine. Jedan od njih je spomenuti Charlesov Zakon o plinu. Zapišimo ga u sljedećem obliku:

V₁/T₁ = V₂/T₂ =>

V₁/V₂ = T₁/T₂.

Potonja jednakost kaže da pri određenoj količini tvari u sustavu (na primjer 1 mol) i određenom tlaku (na primjer 1 pa) volumen plina jedinstveno određuje apsolutnu temperaturu. Drugim riječima, povećanje volumena plina pod tim uvjetima moguće je samo zbog povećanja temperature, a smanjenje volumena ukazuje na smanjenje veličine clip-a.

Podsjetimo da za razliku od temperature na Celzijevoj ljestvici, apsolutna temperatura ne može poprimiti negativne vrijednosti.

Avogadro princip i mješavine plina

Osim gore navedenih zakona o plinu, jednadžba stanja idealnog plina dovodi i do principa koji je otkrio Amedeo Avogadro na početku stoljeća, a koji nosi njegovo prezime. Ovo načelo utvrđuje da se volumen bilo kojeg plina pri konstantnom tlaku i temperaturi određuje količinom tvari u sustavu. Odgovarajuća formula izgleda ovako:

n/V = const pri P, T = const.

Napisani izraz dovodi do Daltonovog zakona poznatog u fizici idealnih plinova za mješavine plina. Ovaj zakon kaže da je parcijalni tlak plina u smjesi nedvosmislen određuje ga atomske frakcije.

Primjer rješavanja problema

U zatvorenoj posudi s krutim stijenkama koja sadrži idealan plin, kao rezultat zagrijavanja, tlak se povećao za 3 puta. Potrebno je odrediti konačnu temperaturu sustava ako je njegova početna vrijednost bila 25 ^oC.

Prvo pretvorimo temperaturu iz Celzijevih stupnjeva u Kelvine, imamo:

INTERNET = 25 + 273,15 = 298,15 K.

Budući da su zidovi posude kruti, postupak zagrijavanja može se smatrati izohornim. Za ovaj slučaj primjenjujemo gej-Lussacov zakon, imamo:

P₁/T₁ = P₂/T₂ =>

T₂ = P₂/P₁*T₁.

Tako se konačna temperatura određuje iz produkta omjera tlaka i početne temperature. Zamjenjujući podatke u jednakosti, dobivamo odgovor:₂ = 894,45 K. Ova temperatura odgovara 621,3 ^oC.