მატერიის აირისებრი მდგომარეობა ჩვენს ირგვლივ მატერიის სამი გავრცელებული ფორმადან ერთ-ერთია. ფიზიკაში აგრეგაციის ეს სითხის მდგომარეობა ჩვეულებრივ განიხილება იდეალური აირის მიახლოებით. ამ მიახლოების გამოყენებით სტატიაში აღვწერთ შესაძლო იზოპროცესებს გაზებში.
იდეალური გაზი და უნივერსალური განტოლება მის აღსაწერად
იდეალური აირი არის ის, რომლის ნაწილაკებს არ აქვთ ზომები და არ ურთიერთქმედებენ ერთმანეთთან. ცხადია, არ არსებობს არც ერთი გაზი, რომელიც ზუსტად აკმაყოფილებს ამ პირობებს, რადგან უმცირეს ატომსაც კი - წყალბადს, აქვს გარკვეული ზომა. უფრო მეტიც, ნეიტრალურ კეთილშობილ აირის ატომებს შორისაც კი სუსტი ვან დერ ვაალის ურთიერთქმედებაა. მაშინ ჩნდება კითხვა: რა შემთხვევაში შეიძლება უგულებელყო გაზის ნაწილაკების ზომა და მათ შორის ურთიერთქმედება? ამ კითხვაზე პასუხი იქნება შემდეგი ფიზიკურ-ქიმიური პირობების დაცვა:
- დაბალი წნევა (დაახლოებით 1 ატმოსფერო და ქვემოთ);
- მაღალი ტემპერატურა (ოთახის ტემპერატურაზე და ზემოთ);
- მოლეკულების და ატომების ქიმიური ინერტულობაგაზი.
თუ ერთ-ერთი პირობა მაინც არ არის დაკმაყოფილებული, მაშინ გაზი უნდა ჩაითვალოს რეალურად და აღწერილი იყოს სპეციალური ვან დერ ვაალის განტოლებით.
მენდელეევ-კლაპეირონის განტოლება გასათვალისწინებელია იზოპროცესების შესწავლამდე. იდეალური გაზის განტოლება მისი მეორე სახელია. მას აქვს შემდეგი აღნიშვნა:
PV=nRT
ანუ, ის აკავშირებს სამ თერმოდინამიკურ პარამეტრს: წნევა P, ტემპერატურა T და მოცულობა V, აგრეთვე ნივთიერების რაოდენობა n. სიმბოლო R აქ აღნიშნავს აირის მუდმივას, ის უდრის 8,314 J / (Kmol).
რა არის იზოპროცესები გაზებში?
ეს პროცესები გაგებულია, როგორც გადასვლები გაზის ორ განსხვავებულ მდგომარეობას შორის (საწყისსა და საბოლოოს), რის შედეგადაც ზოგიერთი რაოდენობა შენარჩუნებულია და ზოგი იცვლება. აირებში არსებობს იზოპროცესის სამი ტიპი:
- იზოთერმული;
- იზობარი;
- იზოქორიული.
მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ყველა მათგანი ექსპერიმენტულად იქნა შესწავლილი და აღწერილი XVII საუკუნის მეორე ნახევრიდან XIX საუკუნის 30-იან წლებამდე პერიოდში. ამ ექსპერიმენტული შედეგების საფუძველზე, ემილ კლაპეირონმა 1834 წელს გამოიღო განტოლება, რომელიც უნივერსალურია გაზებისთვის. ეს სტატია აგებულია პირიქით - მდგომარეობის განტოლების გამოყენებით ვიღებთ იდეალურ აირებში იზოპროცესების ფორმულებს.
გადასასვლელი მუდმივ ტემპერატურაზე
ამას იზოთერმული პროცესი ჰქვია. იდეალური აირის მდგომარეობის განტოლებიდან გამომდინარეობს, რომ დახურულ სისტემაში მუდმივ აბსოლუტურ ტემპერატურაზე პროდუქტი უნდა დარჩეს მუდმივი.მოცულობა წნევამდე, ანუ:
PV=const
ეს ურთიერთობა მართლაც დააფიქსირეს რობერტ ბოილმა და ედმ მარიოტმა მე-17 საუკუნის მეორე ნახევარში, ამიტომ ამჟამად დაფიქსირებული თანასწორობა მათ სახელებს ატარებს.
ფუნქციური დამოკიდებულებები P(V) ან V(P), გამოხატული გრაფიკულად, ჰგავს ჰიპერბოლას. რაც უფრო მაღალია ტემპერატურა, რომელზეც ტარდება იზოთერმული ექსპერიმენტი, მით მეტია პროდუქტი PV.
იზოთერმული პროცესის დროს გაზი ფართოვდება ან იკუმშება, სამუშაოს ასრულებს შინაგანი ენერგიის შეცვლის გარეშე.
გადასასვლელი მუდმივი წნევის დროს
ახლა შევისწავლოთ იზობარული პროცესი, რომლის დროსაც წნევა მუდმივია. ასეთი გადასვლის მაგალითია დგუშის ქვეშ გაზის გათბობა. გახურების შედეგად იზრდება ნაწილაკების კინეტიკური ენერგია, ისინი იწყებენ დგუშზე უფრო ხშირად და უფრო დიდი ძალით დარტყმას, რის შედეგადაც გაზი ფართოვდება. გაფართოების პროცესში გაზი ასრულებს გარკვეულ სამუშაოს, რომლის ეფექტურობა არის 40% (მონატომური გაზისთვის).
ამ იზოპროცესისთვის იდეალური გაზის მდგომარეობის განტოლება ამბობს, რომ შემდეგი მიმართება უნდა იყოს:
V/T=კონსტ
ადვილი მისახვედრია, თუ მუდმივი წნევა გადადის კლაპეირონის განტოლების მარჯვენა მხარეს, ხოლო ტემპერატურა - მარცხნივ. ამ თანასწორობას ჩარლზის კანონი ჰქვია.
თანაბრობა მიუთითებს, რომ ფუნქციები V(T) და T(V) ჰგავს სწორ ხაზებს გრაფიკებზე. V(T) ხაზის დახრილობა აბსცისასთან შედარებით იქნება რაც უფრო მცირეა, მით მეტი იქნება წნევა. P.
გადასვლა მუდმივ ხმაზე
აირებში ბოლო იზოპროცესი, რომელსაც განვიხილავთ სტატიაში, არის იზოქორული გადასვლა. უნივერსალური კლეპეირონის განტოლების გამოყენებით, ადვილია ამ გადასვლისთვის შემდეგი ტოლობის მიღება:
P/T=კონსტ.
იზოქორული გადასვლა აღწერილია გეი-ლუსაკის კანონით. ჩანს, რომ გრაფიკულად P(T) და T(P) ფუნქციები სწორი ხაზები იქნება. სამივე იზოქორიულ პროცესს შორის იზოქორია ყველაზე ეფექტურია, თუ საჭიროა სისტემის ტემპერატურის გაზრდა გარე სითბოს მიწოდების გამო. ამ პროცესის დროს გაზი არ მუშაობს, ანუ მთელი სითბო მიმართული იქნება სისტემის შიდა ენერგიის გასაზრდელად.
