იდეალური აირი, მდგომარეობის იდეალური გაზის განტოლება, მისი ტემპერატურა და წნევა, მოცულობა… ფიზიკის შესაბამის მონაკვეთში გამოყენებული პარამეტრებისა და განმარტებების ჩამონათვალი საკმაოდ დიდხანს შეიძლება გაგრძელდეს. დღეს მხოლოდ ამ თემაზე ვისაუბრებთ.
რა განიხილება მოლეკულურ ფიზიკაში?
ამ განყოფილებაში განხილული მთავარი ობიექტი არის იდეალური გაზი. მდგომარეობის იდეალური გაზის განტოლება მიღებული იქნა ნორმალური გარემო პირობების გათვალისწინებით და ამაზე ცოტა მოგვიანებით ვისაუბრებთ. ახლა მოდით მივუდგეთ ამ „პრობლემას“შორიდან.
ვთქვათ, გვაქვს გაზის გარკვეული მასა. მისი მდგომარეობა შეიძლება განისაზღვროს თერმოდინამიკური ხასიათის სამი პარამეტრის გამოყენებით. ეს არის, რა თქმა უნდა, წნევა, მოცულობა და ტემპერატურა. სისტემის მდგომარეობის განტოლება ამ შემთხვევაში იქნება შესაბამის პარამეტრებს შორის ურთიერთობის ფორმულა. ასე გამოიყურება: F (p, V, T)=0.
აქ, პირველად, ნელ-ნელა ვუახლოვდებით იდეალის გაჩენასგაზი. მას უწოდებენ გაზს, რომელშიც მოლეკულებს შორის ურთიერთქმედება უმნიშვნელოა. ზოგადად, ეს ბუნებაში არ არსებობს. თუმცა, ნებისმიერი ძალიან იშვიათი გაზი მასთან ახლოს არის. აზოტი, ჟანგბადი და ჰაერი, რომლებიც ნორმალურ პირობებშია, ცოტათი განსხვავდება იდეალურისგან. იდეალური გაზის მდგომარეობის განტოლების დასაწერად შეგვიძლია გამოვიყენოთ გაზის ერთიანი კანონი. ჩვენ ვიღებთ: pV/T=კონსტ.
დაკავშირებული კონცეფცია 1: ავოგადროს კანონი
მას შეუძლია გვითხრას, რომ თუ ავიღებთ აბსოლუტურად ნებისმიერი შემთხვევითი გაზის ერთნაირი რაოდენობის მოლს და ჩავაყენებთ მათ ერთსა და იმავე პირობებში, ტემპერატურისა და წნევის ჩათვლით, მაშინ აირები დაიკავებენ ერთსა და იმავე მოცულობას. კერძოდ, ექსპერიმენტი ნორმალურ პირობებში ჩატარდა. ეს ნიშნავს, რომ ტემპერატურა იყო 273,15 კელვინი, წნევა იყო ერთი ატმოსფერო (760 მილიმეტრი ვერცხლისწყალი, ანუ 101325 პასკალი). ამ პარამეტრებით გაზმა დაიკავა 22,4 ლიტრის ტოლი მოცულობა. აქედან გამომდინარე, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ ნებისმიერი გაზის ერთი მოლისთვის, რიცხვითი პარამეტრების თანაფარდობა იქნება მუდმივი მნიშვნელობა. სწორედ ამიტომ გადაწყდა, რომ ეს ფიგურა ასო R-ით დასახელებულიყო და მას უნივერსალური გაზის მუდმივი ეწოდოს. ამრიგად, ის უდრის 8.31-ს. ერთეული არის J/molK.
იდეალური გაზი. მდგომარეობის იდეალური გაზის განტოლება და მისი მანიპულირება
მოდით ვცადოთ ფორმულის გადაწერა. ამისათვის ჩვენ ვწერთ მას ამ ფორმით: pV=RT. შემდეგი, ჩვენ ვასრულებთ მარტივ მოქმედებას, ვამრავლებთ განტოლების ორივე მხარეს მოლების თვითნებურ რაოდენობაზე. ვიღებთ pVu=uRT. გავითვალისწინოთ ის ფაქტი, რომ მოლური მოცულობის ნამრავლი დამატერიის რაოდენობა უბრალოდ მოცულობაა. მაგრამ ბოლოს და ბოლოს, მოლების რაოდენობა ერთდროულად ტოლი იქნება მასისა და მოლური მასის კოეფიციენტის. ზუსტად ასე გამოიყურება მენდელეევ-კლაპეირონის განტოლება. ის იძლევა ნათელ წარმოდგენას იმის შესახებ, თუ რა სახის სისტემას ქმნის იდეალური გაზი. იდეალური გაზის მდგომარეობის განტოლება მიიღებს ფორმას: pV=mRT/M.
გამოიტანეთ წნევის ფორმულა
მოდი გავაკეთოთ კიდევ რამდენიმე მანიპულაცია მიღებული გამონათქვამებით. ამისათვის მენდელეევ-კლაპეირონის განტოლების მარჯვენა მხარე მრავლდება და იყოფა ავოგადროს რიცხვზე. ახლა ჩვენ ყურადღებით ვათვალიერებთ ნივთიერების რაოდენობის ნამრავლს ავოგადროს რიცხვით. ეს სხვა არაფერია, თუ არა გაზში მოლეკულების საერთო რაოდენობა. მაგრამ ამავე დროს, უნივერსალური გაზის მუდმივის შეფარდება ავოგადროს რიცხვთან ტოლი იქნება ბოლცმანის მუდმივთან. ამრიგად, წნევის ფორმულები შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად: p=NkT/V ან p=nkT. აქ სიმბოლო n არის ნაწილაკების კონცენტრაცია.
იდეალური გაზის პროცესები
მოლეკულურ ფიზიკაში არის ისეთი რამ, როგორიცაა იზოპროცესები. ეს არის თერმოდინამიკური პროცესები, რომლებიც მიმდინარეობს სისტემაში ერთ-ერთ მუდმივ პარამეტრზე. ამ შემთხვევაში ნივთიერების მასაც მუდმივი უნდა დარჩეს. მოდით შევხედოთ მათ უფრო კონკრეტულად. ასე რომ, იდეალური გაზის კანონები.
წნევა რჩება მუდმივი
ეს არის გეი-ლუსაკის კანონი. ეს ასე გამოიყურება: V/T=const. მისი გადაწერა შეიძლება სხვა გზით: V=Vo (1 + at). აქ a უდრის 1/273,15 K^-1 და ეწოდება "მოცულობის გაფართოების კოეფიციენტი". ჩვენ შეგვიძლია შევცვალოთ ტემპერატურა როგორც ცელსიუსში, ასევეკელვინის მასშტაბი. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში ვიღებთ ფორმულას V=Voat.
ხმა უცვლელი რჩება
ეს არის გეი-ლუსაკის მეორე კანონი, რომელსაც უფრო ხშირად უწოდებენ ჩარლზის კანონს. ეს ასე გამოიყურება: p/T=const. არსებობს კიდევ ერთი ფორმულირება: p=po (1 + at). გარდაქმნები შეიძლება განხორციელდეს წინა მაგალითის შესაბამისად. როგორც ხედავთ, იდეალური გაზის კანონები ზოგჯერ საკმაოდ ჰგავს ერთმანეთს.
ტემპერატურა უცვლელი რჩება
თუ იდეალური აირის ტემპერატურა მუდმივი რჩება, მაშინ შეგვიძლია მივიღოთ ბოილ-მარიოტის კანონი. შეიძლება დაიწეროს ასე: pV=const.
დაკავშირებული კონცეფცია 2: ნაწილობრივი წნევა
ვთქვათ, გვაქვს ჭურჭელი გაზებით. ეს იქნება ნარევი. სისტემა თერმული წონასწორობის მდგომარეობაშია და თავად აირები არ რეაგირებენ ერთმანეთთან. აქ N აღნიშნავს მოლეკულების მთლიან რაოდენობას. N1, N2 და ასე შემდეგ, შესაბამისად, მოლეკულების რაოდენობა ნარევის თითოეულ კომპონენტში. ავიღოთ წნევის ფორმულა p=nkT=NkT/V. ის შეიძლება გაიხსნას კონკრეტული შემთხვევისთვის. ორკომპონენტიანი ნარევისთვის ფორმულა მიიღებს ფორმას: p=(N1 + N2) kT/V. მაგრამ შემდეგ გამოდის, რომ მთლიანი წნევა შეჯამდება თითოეული ნარევის ნაწილობრივი წნევით. ასე გამოიყურება p1 + p2 და ასე შემდეგ. ეს იქნება ნაწილობრივი ზეწოლა.
რისთვის არის?
ჩვენ მიერ მიღებული ფორმულა მიუთითებს, რომ წნევა სისტემაში არის მოლეკულების თითოეული ჯგუფიდან. სხვათა შორის, ეს არ არის დამოკიდებულისხვები. დალტონმა ამით ისარგებლა კანონის ფორმულირებისას, რომელსაც მოგვიანებით მისი სახელი ეწოდა: ნარევში, სადაც აირები ქიმიურად არ რეაგირებენ ერთმანეთთან, მთლიანი წნევა ტოლი იქნება ნაწილობრივი წნევის ჯამის..
