Zarralarning kinetik energiyasi ularning potensial oʻzaro taʼsir energiyasidan ancha yuqori boʻlgan moddaning agregat holatiga gaz deyiladi. Bunday moddalar fizikasi o'rta maktabda ko'rib chiqila boshlandi. Ushbu suyuq moddaning matematik tavsifidagi asosiy masala ideal gaz uchun holat tenglamasidir. Biz buni maqolada batafsil o'rganamiz.
Ideal gaz va uning haqiqiydan farqi
Ma'lumki, har qanday gaz holati uni tashkil etuvchi molekulalar va atomlarning turli tezlikdagi xaotik harakati bilan tavsiflanadi. Haqiqiy gazlarda, masalan, havoda zarralar bir-biri bilan u yoki bu tarzda o'zaro ta'sir qiladi. Asosan, bu o'zaro ta'sir van der Vaals xarakteriga ega. Biroq, agar gaz tizimining harorati yuqori bo'lsa (xona harorati va undan yuqori) va bosim katta bo'lmasa (atmosferaga to'g'ri keladi), u holda van der Vaals o'zaro ta'siri shunchalik kichik bo'ladikibutun gaz tizimining makroskopik harakatiga ta'sir qiladi. Bu holda ular ideal haqida gapirishadi.
Yuqoridagi ma'lumotlarni bitta ta'rifga birlashtirib, ideal gaz zarrachalar o'rtasida hech qanday o'zaro ta'sir bo'lmagan tizim deb aytishimiz mumkin. Zarrachalarning o'zi o'lchamsiz, lekin ma'lum bir massaga ega va zarrachalarning idish devorlari bilan to'qnashuvi elastikdir.
Odamning kundalik hayotida duch keladigan deyarli barcha gazlar (havo, gaz plitalaridagi tabiiy metan, suv bug'i) ko'plab amaliy muammolar uchun qoniqarli aniqlik bilan ideal deb hisoblanishi mumkin.
Fizikada ideal gaz holat tenglamasining paydo boʻlishi uchun zaruriy shartlar
Insoniyat XVII-XIX asrlarda materiyaning gaz holatini ilmiy nuqtai nazardan faol o’rgandi. Izotermik jarayonni tavsiflovchi birinchi qonun V sistema hajmi va undagi bosim P o'rtasidagi quyidagi bog'liqlik edi:
Robert Boyl va Edme Mariotte tomonidan eksperimental ravishda kashf etilgan.
PV=const, bilan T=const
XVII asrning ikkinchi yarmida turli gazlar bilan tajriba oʻtkazib, zikr etilgan olimlar bosimning hajmga bogʻliqligi doimo giperbola koʻrinishida boʻlishini aniqladilar.
Keyin, 18-asr oxiri - 19-asr boshlarida frantsuz olimlari Sharl va Gey-Lyusaklar eksperimental ravishda izobar va izoxorik jarayonlarni matematik tarzda tavsiflovchi yana ikkita gaz qonunini kashf etdilar. Ikkala qonun ham quyida keltirilgan:
- V / T=const, qachon P=const;
- P / T=const, bilan V=const.
Ikkala tenglik gaz hajmi va harorat oʻrtasidagi, shuningdek bosim va harorat oʻrtasidagi toʻgʻridan-toʻgʻri proportsionallikni koʻrsatadi, shu bilan birga doimiy bosim va hajmni saqlaydi.
Ideal gazning holat tenglamasini tuzishning yana bir sharti 1910-yillarda Amedeo Avagadro tomonidan quyidagi munosabatning kashf etilishi edi:
n / V=const, T bilan, P=const
Italiyaliklar eksperimental ravishda isbotladilarki, agar siz n moddaning miqdorini oshirsangiz, u holda doimiy harorat va bosimda hajm chiziqli ravishda ortadi. Eng ajablanarlisi shundaki, bir xil bosim va haroratdagi har xil tabiatdagi gazlar, agar ularning soni mos kelsa, bir xil hajmni egallagan.
Klapeyron-Mendeleyev qonuni
19-asrning 30-yillarida frantsuz Emil Klapeyron ideal gazning holat tenglamasini bergan asarini nashr etdi. U zamonaviy shakldan biroz farq qilardi. Xususan, Klapeyron o'zidan oldingi olimlar tomonidan eksperimental ravishda o'lchangan ma'lum konstantalardan foydalangan. Oradan bir necha o‘n yillar o‘tgach, vatandoshimiz D. I. Mendeleyev Klapeyron konstantalarini bittaga – universal gaz doimiysi R bilan almashtirdi. Natijada universal tenglama zamonaviy ko‘rinishga ega bo‘ldi:
PV=nRT
Bu yuqorida maqolada yozilgan gaz qonunlari formulalarining oddiy birikmasi ekanligini taxmin qilish oson.
Ushbu iboradagi doimiy R juda aniq jismoniy ma'noga ega. Bu 1 mol bajaradigan ishni ko'rsatadi.gaz, agar haroratning 1 kelvinga oshishi bilan kengaysa (R=8,314 J / (molK)).
Universal tenglamaning boshqa shakllari
Ideal gaz uchun universal holat tenglamasining yuqoridagi shaklidan tashqari, boshqa kattaliklardan foydalanadigan holat tenglamalari ham mavjud. Quyida ular:
- PV=m / MRT;
- PV=NkB T;
- P=rRT / M.
Bu tengliklarda m - ideal gazning massasi, N - tizimdagi zarrachalar soni, r - gazning zichligi, M - molyar massaning qiymati.
Yodda tutingki, yuqorida yozilgan formulalar faqat SI birliklari barcha fizik miqdorlar uchun ishlatilsa amal qiladi.
Misol muammo
Kerakli nazariy ma'lumotlarni olgach, biz quyidagi masalani hal qilamiz. Sof azot 1,5 atm bosim ostida. hajmi 70 litr bo'lgan silindrda. Ideal gazning mollar sonini va uning massasini, agar u 50 °C haroratda ekanligi ma'lum bo'lsa, aniqlash kerak.
Avval SIda barcha oʻlchov birliklarini yozamiz:
1) P=1,5101325=151987,5 Pa;
2) V=7010-3=0,07 m3;
3) T=50 + 273, 15=323, 15 K.
Endi biz ushbu ma'lumotlarni Klapeyron-Mendeleyev tenglamasiga almashtiramiz, moddaning miqdori qiymatini olamiz:
n=PV / (RT)=151987,50,07 / (8,314323,15)=3,96 mol
Azotning massasini aniqlash uchun uning kimyoviy formulasini eslab, qiymatini koʻrishingiz kerak. Ushbu element uchun davriy jadvaldagi molyar massa:
M(N2)=142=0,028 kg/mol.
Gazning massasi:
m=nM=3,960,028=0,111 kg
Shunday qilib, shardagi azot miqdori 3,96 mol, massasi 111 gramm.
