Har bir inson hayoti davomida materiyaning uchta agregat holatidan birida joylashgan jismlarga duch keladi. O'rganish uchun eng oddiy agregat holati gazdir. Maqolada biz ideal gaz tushunchasini ko'rib chiqamiz, tizimning holat tenglamasini beramiz, shuningdek, mutlaq harorat tavsifiga biroz e'tibor beramiz.
Materaning gaz holati
Har bir talaba "gaz" so'zini eshitganida materiyaning qaysi holati haqida gapirayotgani haqida yaxshi tasavvurga ega bo'ladi. Bu so'z unga berilgan har qanday hajmni egallashga qodir bo'lgan jism sifatida tushuniladi. U o'z shaklini saqlab qololmaydi, chunki u hatto eng kichik tashqi ta'sirga ham qarshi tura olmaydi. Shuningdek, gaz hajmni saqlamaydi, bu uni nafaqat qattiq, balki suyuqliklardan ham ajratib turadi.
Suyuqlik kabi gaz ham suyuq moddadir. Gazlardagi qattiq jismlarning harakati jarayonida ikkinchisi bu harakatga to'sqinlik qiladi. Olingan kuch qarshilik deb ataladi. Uning qiymati quyidagilarga bog'liqtananing gazdagi tezligi.
Gazlarning kuchli namunalari havo, uylarni isitish va ovqat pishirish uchun ishlatiladigan tabiiy gaz, reklama nurli quvurlarni to'ldirish uchun ishlatiladigan yoki payvandlashda inert (agressiv bo'lmagan, himoya) muhit yaratish uchun ishlatiladigan inert gazlar (Ne, Ar).
Ideal gaz
Gaz qonunlari va holat tenglamalarini tavsiflashdan oldin, siz ideal gaz nima degan savolni yaxshi tushunishingiz kerak. Bu tushuncha molekulyar kinetik nazariyaga (MKT) kiritilgan. Ideal gaz - bu quyidagi xususiyatlarga javob beradigan har qanday gaz:
- Uni tashkil etuvchi zarralar bir-biri bilan oʻzaro taʼsir qilmaydi, faqat toʻgʻridan-toʻgʻri mexanik toʻqnashuvlar bundan mustasno.
- Zarrachalarning idish devorlari bilan yoki oʻzaro toʻqnashuvi natijasida ularning kinetik energiyasi va impulsi saqlanib qoladi, yaʼni toʻqnashuv mutlaqo elastik hisoblanadi.
- Zarralarning oʻlchamlari yoʻq, lekin cheklangan massaga ega, yaʼni ular moddiy nuqtalarga oʻxshaydi.
Har qanday gaz ideal emas, balki haqiqiy boʻlishi tabiiy. Shunga qaramay, ko'plab amaliy muammolarni hal qilish uchun ushbu taxminlar juda to'g'ri va ulardan foydalanish mumkin. Umumiy empirik qoida mavjud: kimyoviy tabiatidan qat'i nazar, agar gaz xona haroratidan yuqori haroratga va atmosfera yoki undan pastroq bosimga ega bo'lsa, uni yuqori aniqlik bilan ideal deb hisoblash mumkin va uni tavsiflash uchun ishlatilishi mumkin. bu.ideal gaz holat tenglamasining formulasi.
Klapeyron-Mendeleyev qonuni
Materaning turli agregat holatlari va bitta agregat holatidagi jarayonlar oʻrtasidagi oʻtishlar termodinamika tomonidan hal qilinadi. Bosim, harorat va hajm termodinamik tizimning har qanday holatini yagona aniqlaydigan uchta kattalikdir. Ideal gazning holat tenglamasi formulasi bu miqdorlarning uchalasini ham bitta tenglikka birlashtiradi. Bu formulani yozamiz:
PV=nRT
Bu erda P, V, T - mos ravishda bosim, hajm, harorat. n ning qiymati moddaning moldagi miqdori, R belgisi esa gazlarning universal doimiyligini bildiradi. Bu tenglik shuni ko'rsatadiki, bosim va hajmning mahsuloti qanchalik katta bo'lsa, moddaning miqdori va haroratning mahsuloti shunchalik katta bo'lishi kerak.
Gazning holat tenglamasi formulasi Klapeyron-Mendeleyev qonuni deyiladi. 1834 yilda frantsuz olimi Emil Klapeyron o'zidan oldingi olimlarning tajriba natijalarini umumlashtirib, ushbu tenglamaga keldi. Biroq, Klapeyron bir qancha konstantalardan foydalangan, keyinchalik ularni Mendeleyev bittaga almashtirgan - universal gaz konstantasi R (8, 314 J / (molK)). Shuning uchun zamonaviy fizikada bu tenglama frantsuz va rus olimlarining nomlari bilan atalgan.
Boshqa tenglama shakllari
Yuqorida biz umumiy qabul qilingan va ideal gaz uchun Mendeleyev-Klapeyron holat tenglamasini yozdik.qulay shakl. Biroq, termodinamika muammolarida ko'pincha biroz boshqacha shakl talab qilinishi mumkin. Quyida to'g'ridan-to'g'ri yozma tenglamadan kelib chiqadigan yana uchta formulalar yozilgan:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=rRT/M.
Bu uchta tenglama ideal gaz uchun ham universaldir, faqat ularda massa m, molyar massa M, zichlik r va sistemani tashkil etuvchi zarrachalar soni N kabi kattaliklar paydo bo`ladi. Bu yerdagi kB belgisi Boltsman doimiyligini bildiradi (1, 3810-23J/K).
Boyl-Mariotte qonuni
Klapeyron o'z tenglamasini tuzar ekan, u bundan bir necha o'n yillar oldin eksperimental ravishda kashf etilgan gaz qonunlariga asoslandi. Ulardan biri Boyl-Mariott qonunidir. U yopiq tizimdagi izotermik jarayonni aks ettiradi, buning natijasida bosim va hajm kabi makroskopik parametrlar o'zgaradi. Agar ideal gazning holat tenglamasiga T va n doimiysini qo‘ysak, u holda gaz qonuni quyidagi ko‘rinishga ega bo‘ladi:
P1V1=P2V 2
Bu Boyl-Mariott qonuni boʻlib, unda bosim va hajm koʻpaytmasi ixtiyoriy izotermik jarayon davomida saqlanib qoladi. Bunda P va V qiymatlarining o'zi o'zgaradi.
Agar siz P(V) yoki V(P) chizsangiz, u holda izotermlar giperbolalar boʻladi.
Charlz va Gey-Lyusak qonunlari
Bu qonunlar matematik jihatdan izobar va izoxoriklarni tavsiflaydijarayonlar, ya'ni bosim va hajm saqlanuvchi gaz tizimining holatlari o'rtasidagi bunday o'tishlar. Charlz qonunini matematik tarzda quyidagicha yozish mumkin:
V/T=n bo'lganda const, P=const.
Gey-Lyussak qonuni quyidagicha yozilgan:
P/T=n bo'lganda const, V=const.
Agar ikkala tenglik grafik shaklida taqdim etilsa, u holda biz x o'qiga qaysidir burchak ostida qiya bo'lgan to'g'ri chiziqlarga ega bo'lamiz. Ushbu turdagi grafik doimiy bosimdagi hajm va harorat o'rtasidagi va doimiy hajmdagi bosim va harorat o'rtasidagi to'g'ridan-to'g'ri proportsionallikni ko'rsatadi.
E'tibor bering, uchta ko'rib chiqilgan gaz qonunlari ham gazning kimyoviy tarkibini, shuningdek, moddalar miqdorining o'zgarishini hisobga olmaydi.
Mutlaq harorat
Kundalik hayotda biz Tselsiy boʻyicha harorat shkalasidan foydalanishga odatlanganmiz, chunki u atrofimizdagi jarayonlarni tasvirlash uchun qulaydir. Shunday qilib, suv 100 oC da qaynaydi va 0 oC da muzlaydi. Fizikada bu shkala noqulay bo'lib chiqadi, shuning uchun 19-asrning o'rtalarida Lord Kelvin tomonidan kiritilgan mutlaq harorat shkalasi qo'llaniladi. Ushbu shkalaga muvofiq harorat Kelvin (K) da o'lchanadi.
-273, 15 oC haroratda atomlar va molekulalarning termal tebranishlari bo'lmaydi, ularning oldinga siljishi butunlay to'xtaydi, deb ishoniladi. Tselsiy bo'yicha bu harorat Kelvindagi mutlaq nolga to'g'ri keladi (0 K). Ushbu ta'rifdanmutlaq haroratning jismoniy ma'nosi quyidagicha: u moddani tashkil etuvchi zarrachalar, masalan, atomlar yoki molekulalar kinetik energiyasining o'lchovidir.
Mutlaq haroratning yuqoridagi jismoniy ma'nosidan tashqari, bu miqdorni tushunish uchun boshqa yondashuvlar ham mavjud. Ulardan biri Charlzning eslatib o'tilgan gaz qonunidir. Uni quyidagi shaklda yozamiz:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Oxirgi tenglik shuni ko'rsatadiki, tizimdagi moddaning ma'lum miqdorida (masalan, 1 mol) va ma'lum bir bosimda (masalan, 1 Pa) gaz hajmi mutlaq haroratni yagona tarzda aniqlaydi. Boshqacha qilib aytadigan bo'lsak, bu sharoitda gaz hajmining oshishi faqat haroratning oshishi tufayli mumkin, va hajmning kamayishi T.
qiymatining pasayishini ko'rsatadi.
Esda tutingki, Selsiy boʻyicha haroratdan farqli oʻlaroq, mutlaq harorat manfiy boʻlishi mumkin emas.
Avogadro printsipi va gaz aralashmalari
Yuqoridagi gaz qonunlaridan tashqari ideal gazning holat tenglamasi ham Amedeo Avogadro tomonidan 19-asr boshida kashf etilgan, uning familiyasi bilan atalgan tamoyilga olib keladi. Ushbu tamoyil doimiy bosim va haroratda har qanday gazning hajmi tizimdagi moddaning miqdori bilan belgilanadi. Tegishli formula quyidagicha ko'rinadi:
n/V=const qachon P, T=const.
Yozma ifoda ideal gaz fizikasida yaxshi ma'lum bo'lgan gaz aralashmalari uchun D alton qonuniga olib keladi. Buqonunda aytilishicha, aralashmadagi gazning qisman bosimi uning atom ulushi bilan yagona aniqlanadi.
Muammo yechishga misol
Ideal gazni o'z ichiga olgan qattiq devorlari bo'lgan yopiq idishda isitish natijasida bosim 3 marta oshdi. Tizimning yakuniy haroratini aniqlash kerak, agar uning boshlang'ich qiymati 25 oC bo'lsa.
Birinchi, haroratni Selsiy gradusidan Kelvinga aylantiramiz, bizda:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Idishning devorlari qattiq bo'lgani uchun isitish jarayonini izoxorik deb hisoblash mumkin. Bu holatda biz Gey-Lyusak qonunini qo'llaymiz, bizda:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Shunday qilib, yakuniy harorat bosim nisbati va dastlabki haroratning mahsulotidan aniqlanadi. Ma'lumotlarni tenglikka almashtirsak, biz javob olamiz: T2=894,45 K. Bu harorat 621,3 oC ga to'g'ri keladi.
