გაზის სისტემების თერმოდინამიკის შესწავლის მთავარი საგანია თერმოდინამიკური მდგომარეობის ცვლილება. ასეთი ცვლილებების შედეგად, გაზს შეუძლია შეასრულოს მუშაობა და შეინახოს შიდა ენერგია. მოდით, ქვემოთ მოცემულ სტატიაში შევისწავლოთ სხვადასხვა თერმოდინამიკური გადასვლები იდეალურ გაზში. განსაკუთრებული ყურადღება დაეთმობა იზოთერმული პროცესის გრაფიკის შესწავლას.
იდეალური აირები
თვით სახელწოდებით თუ ვიმსჯელებთ, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ 100% იდეალური აირები ბუნებაში არ არსებობს. თუმცა, ბევრი რეალური ნივთიერება ამ კონცეფციას პრაქტიკული სიზუსტით აკმაყოფილებს.
იდეალური გაზი არის ნებისმიერი გაზი, რომელშიც შეიძლება უგულებელყოთ ურთიერთქმედება მის ნაწილაკებსა და მათ ზომებს შორის. ორივე პირობა დაკმაყოფილებულია მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მოლეკულების კინეტიკური ენერგია ბევრად აღემატება მათ შორის არსებული ბმების პოტენციურ ენერგიას, ხოლო მოლეკულებს შორის მანძილი ნაწილაკების ზომაზე გაცილებით დიდი იქნება.
დასადგენად რომელიათუ შესწავლილი გაზი იდეალურია, შეგიძლიათ გამოიყენოთ მარტივი წესი: თუ სისტემაში ტემპერატურა ოთახის ტემპერატურაზე მაღალია, წნევა დიდად არ განსხვავდება ატმოსფერული წნევისგან ან მასზე ნაკლები და მოლეკულებისგან, რომლებიც ქმნიან სისტემას. ქიმიურად ინერტულია, მაშინ გაზი იდეალური იქნება.
მთავარი კანონი
ჩვენ ვსაუბრობთ აირის იდეალურ განტოლებაზე, რომელსაც ასევე უწოდებენ კლაპეირონ-მენდელეევის კანონს. ეს განტოლება XIX საუკუნის 30-იან წლებში დაწერა ფრანგმა ინჟინერმა და ფიზიკოსმა ემილ კლაპეირონმა. რამდენიმე ათეული წლის შემდეგ, რუსმა ქიმიკოსმა მენდელეევმა იგი თანამედროვე ფორმამდე მიიყვანა. ეს განტოლება ასე გამოიყურება:
PV=nRT.
განტოლების მარცხენა მხარეს არის P წნევის და V მოცულობის ნამრავლი, განტოლების მარჯვენა მხარეს არის T ტემპერატურისა და n ნივთიერების რაოდენობის ნამრავლი. R არის უნივერსალური გაზის მუდმივი. გაითვალისწინეთ, რომ T არის აბსოლუტური ტემპერატურა, რომელიც იზომება კელვინებში.
კლაპეირონ-მენდელეევის კანონი პირველად იქნა მიღებული გაზის წინა კანონების შედეგებიდან, ანუ ის დაფუძნებული იყო მხოლოდ ექსპერიმენტულ ბაზაზე. თანამედროვე ფიზიკის და სითხეების კინეტიკური თეორიის განვითარებით, იდეალური აირის განტოლება შეიძლება გამოვიდეს სისტემის ნაწილაკების მიკროსკოპული ქცევის გათვალისწინებით.
იზოთერმული პროცესი
მიუხედავად იმისა, ხდება ეს პროცესი აირებში, სითხეებში თუ მყარებში, მას აქვს ძალიან მკაფიო განმარტება. იზოთერმული გადასვლა არის გადასვლა ორ მდგომარეობას შორის, რომელშიც არის სისტემის ტემპერატურაშემონახული, ანუ უცვლელი რჩება. მაშასადამე, იზოთერმული პროცესის გრაფიკი დროის ღერძებში (x ღერძი) - ტემპერატურა (y ღერძი) იქნება ჰორიზონტალური ხაზი.
რაც შეეხება იდეალურ გაზს, აღვნიშნავთ, რომ მისთვის იზოთერმული გადასვლას ბოილ-მარიოტის კანონი ეწოდება. ეს კანონი ექსპერიმენტულად იქნა აღმოჩენილი. უფრო მეტიც, იგი გახდა პირველი ამ სფეროში (XVII საუკუნის მეორე ნახევარი). მისი მიღება შეუძლია თითოეულ მოსწავლეს, თუ განიხილავს გაზის ქცევას დახურულ სისტემაში (n=const) მუდმივ ტემპერატურაზე (T=const). მდგომარეობის განტოლების გამოყენებით მივიღებთ:
nRT=const=>
PV=კონსტ.
ბოლო თანასწორობა არის ბოილ-მარიოტის კანონი. ფიზიკის სახელმძღვანელოებში ასევე შეგიძლიათ იპოვოთ მისი წერის ეს ფორმა:
P1 V1=P2 V 2.
იზოთერმული მდგომარეობიდან 1-დან თერმოდინამიკურ მდგომარეობაზე 2-ზე გადასვლისას მოცულობის და წნევის ნამრავლი რჩება უცვლელი დახურული გაზის სისტემისთვის.
შესწავლილი კანონი საუბრობს უკუპროპორციულობაზე P და V მნიშვნელობებს შორის:
P=consst / V.
ეს ნიშნავს, რომ იდეალურ აირში იზოთერმული პროცესის გრაფიკი იქნება ჰიპერბოლის მრუდი. ქვემოთ მოცემულ სურათზე ნაჩვენებია სამი ჰიპერბოლა.
თითოეულ მათგანს იზოთერმი ეწოდება. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა სისტემაში, მით უფრო შორს იქნება იზოთერმი კოორდინატთა ღერძებიდან. ზემოთ მოყვანილი სურათიდან შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ მწვანე შეესაბამება სისტემის უმაღლეს ტემპერატურას, ხოლო ლურჯი - ყველაზე დაბალს, იმ პირობით, რომ ნივთიერების რაოდენობა სამივესისტემები იგივეა. თუ ფიგურაში ყველა იზოთერმი აგებულია იმავე ტემპერატურაზე, მაშინ ეს ნიშნავს, რომ მწვანე მრუდი შეესაბამება ყველაზე დიდ სისტემას ნივთიერების რაოდენობით.
შინაგანი ენერგიის ცვლილება იზოთერმული პროცესის დროს
იდეალური აირების ფიზიკაში შინაგანი ენერგია გაგებულია, როგორც კინეტიკური ენერგია, რომელიც დაკავშირებულია მოლეკულების ბრუნვით და მთარგმნელობით მოძრაობასთან. კინეტიკური თეორიიდან მარტივია U შიდა ენერგიის შემდეგი ფორმულის მიღება:
U=z / 2nRT.
სადაც z არის მოლეკულების თავისუფალი მოძრაობის გრადუსების რაოდენობა. ის მერყეობს 3-დან (მონატომური გაზი) 6-მდე (პოლიატომური მოლეკულები).
იზოთერმული პროცესის შემთხვევაში, ტემპერატურა რჩება მუდმივი, რაც ნიშნავს, რომ შინაგანი ენერგიის ცვლილების ერთადერთი მიზეზი არის მატერიის ნაწილაკების გამოსვლა ან შემოსვლა სისტემაში. ამრიგად, დახურულ სისტემებში, მათი მდგომარეობის იზოთერმული ცვლილების დროს, შიდა ენერგია შენარჩუნებულია.
იზობარული და იზოქორული პროცესები
გარდა ბოილ-მარიოტის კანონისა, არსებობს კიდევ ორი ძირითადი გაზის კანონი, რომლებიც ასევე აღმოაჩინეს ექსპერიმენტულად. ისინი ატარებენ ფრანგ ჩარლზის და გეი-ლუსაკის სახელებს. მათემატიკურად ისინი ასე იწერება:
V / T=const როდესაც P=const;
P / T=const როდესაც V=const.
ჩარლზის კანონი ამბობს, რომ იზობარული პროცესის დროს (P=const) მოცულობა ხაზობრივად დამოკიდებულია აბსოლუტურ ტემპერატურაზე. გეი-ლუსაკის კანონი მიუთითებს ხაზოვან ურთიერთობაზე წნევასა და აბსოლუტურ ტემპერატურას შორის იზოქორიულ მდგომარეობაშიგადასვლა (V=const).
მოცემული ტოლობებიდან გამომდინარეობს, რომ იზობარული და იზოქორული გადასვლების გრაფიკები მნიშვნელოვნად განსხვავდება იზოთერმული პროცესისგან. თუ იზოთერმს აქვს ჰიპერბოლის ფორმა, მაშინ იზობარი და იზოქორე სწორი ხაზებია.
იზობარულ-იზოთერმული პროცესი
გაზის კანონების განხილვისას, ზოგჯერ ავიწყდება, რომ T, P და V მნიშვნელობების გარდა, n-ის მნიშვნელობა კლაპეირონ-მენდელეევის კანონშიც შეიძლება შეიცვალოს. თუ დავაფიქსირებთ წნევას და ტემპერატურას, მაშინ მივიღებთ იზობარი-იზოთერმული გადასვლის განტოლებას:
n / V=Const როდესაც T=const, P=const.
ნივთიერების რაოდენობასა და მოცულობას შორის წრფივი ურთიერთობა ვარაუდობს, რომ ერთსა და იმავე პირობებში, სხვადასხვა აირები, რომლებიც შეიცავს ნივთიერების ერთსა და იმავე რაოდენობას, თანაბარ მოცულობას იკავებენ. მაგალითად, ნორმალურ პირობებში (0 oC, 1 ატმოსფერო), ნებისმიერი გაზის მოლური მოცულობა არის 22,4 ლიტრი. განხილულ კანონს ავოგადროს პრინციპი ჰქვია. ის საფუძვლად უდევს დალტონის კანონს იდეალური აირის ნარევების შესახებ.
