Qaz ətrafımızdakı maddənin dörd məcmu vəziyyətindən biridir. Bəşəriyyət 17-ci əsrdən başlayaraq maddənin bu vəziyyətini elmi yanaşma ilə öyrənməyə başladı. Aşağıdakı məqalədə biz ideal qazın nə olduğunu və onun müxtəlif xarici şərtlər altında davranışını hansı tənliyin təsvir etdiyini öyrənəcəyik.
İdeal qaz anlayışı
Hər kəs bilir ki, nəfəs aldığımız hava və ya evi qızdırmaq və yeməyimizi bişirmək üçün istifadə etdiyimiz təbii metan maddənin qaz halının ən yaxşı nümunəsidir. Fizikada bu vəziyyətin xassələrini öyrənmək üçün ideal qaz anlayışı təqdim edilmişdir. Bu konsepsiya maddənin əsas fiziki xüsusiyyətlərini təsvir etmək üçün vacib olmayan bir sıra fərziyyələrin və sadələşdirmələrin istifadəsini nəzərdə tutur: temperatur, həcm və təzyiq.
Beləliklə, ideal qaz aşağıdakı şərtləri ödəyən maye maddədir:
- Zərrəciklər (molekullar və atomlar)müxtəlif istiqamətlərdə təsadüfi hərəkət edir. Bu əmlak sayəsində 1648-ci ildə Yan Baptista van Helmont "qaz" (qədim yunan dilindən "xaos") anlayışını təqdim etdi.
- Zərrəciklər bir-biri ilə qarşılıqlı təsir göstərmir, yəni molekullararası və atomlararası qarşılıqlı təsirlərə laqeyd yanaşmaq olar.
- Zərrəciklər və damar divarları ilə toqquşmalar tamamilə elastikdir. Belə toqquşmalar nəticəsində kinetik enerji və impuls (momentum) saxlanılır.
- Hər bir hissəcik maddi nöqtədir, yəni müəyyən bir məhdud kütləyə malikdir, lakin həcmi sıfırdır.
Yuxarıda göstərilən şərtlər toplusu ideal qaz anlayışına uyğundur. Bütün məlum real maddələr yüksək temperaturda (otaq və yuxarıda) və aşağı təzyiqlərdə (atmosfer və aşağıda) təqdim edilən konsepsiyaya yüksək dəqiqliklə uyğun gəlir.
Boyle-Mariotte Qanunu
İdeal qazın hal tənliyini yazmazdan əvvəl gəlin bir sıra xüsusi qanun və prinsipləri təqdim edək ki, onların eksperimental kəşfi bu tənliyin əldə edilməsinə səbəb olub.
Boyl-Mariotte qanunu ilə başlayaq. 1662-ci ildə ingilis fiziki kimyaçısı Robert Boyl və 1676-cı ildə fransız fiziki botanik Edm Mariotte müstəqil olaraq aşağıdakı qanunu müəyyən etdilər: əgər qaz sistemində temperatur sabit qalırsa, hər hansı termodinamik proses zamanı qazın yaratdığı təzyiq onun təzyiqi ilə tərs mütənasibdir. həcm. Riyazi olaraq bu formula aşağıdakı kimi yazıla bilər:
PV=T=const üçün k1,harada
- P, V - ideal qazın təzyiqi və həcmi;
- k1 - bir qədər sabit.
Kimyəvi cəhətdən fərqli qazlarla təcrübə aparan alimlər müəyyən ediblər ki, k1 dəyəri kimyəvi təbiətdən asılı deyil, qazın kütləsindən asılıdır.
Sistemin temperaturu saxlanılmaqla təzyiqin və həcmin dəyişməsi ilə vəziyyətlər arasında keçidə izotermik proses deyilir. Beləliklə, qrafikdə ideal qazın izotermləri təzyiqin həcmdən asılılığının hiperbolasıdır.
Çarlz və Gay-Lussac Qanunu
1787-ci ildə fransız alimi Çarlz və 1803-cü ildə başqa bir fransız Gey-Lussac empirik olaraq ideal qazın davranışını təsvir edən başqa qanun yaratdılar. Bunu aşağıdakı kimi formalaşdırmaq olar: sabit qaz təzyiqində qapalı sistemdə temperaturun artması həcmin mütənasib artmasına və əksinə, temperaturun azalması qazın mütənasib sıxılmasına səbəb olur. Çarlz və Gey-Lussak qanununun riyazi tərtibatı belə yazılır:
V / T=k2 P=sabit olduqda.
Temperatur və həcm dəyişikliyi ilə və sistemdə təzyiq saxlanılmaqla qazın halları arasında keçid izobar proses adlanır. Sabit k2 sistemdəki təzyiq və qazın kütləsi ilə müəyyən edilir, lakin onun kimyəvi təbiəti ilə deyil.
Qrafikdə V (T) funksiyası yamac tangensi k2 olan düz xəttdir.
Molekulyar kinetik nəzəriyyənin (MKT) müddəalarından istifadə etsəniz, bu qanunu başa düşə bilərsiniz. Beləliklə, temperaturun artması artıma səbəb olurqaz hissəciklərinin kinetik enerjisi. Sonuncu, sistemdəki təzyiqi artıran gəminin divarları ilə toqquşmalarının intensivliyinin artmasına kömək edir. Bu təzyiqi sabit saxlamaq üçün sistemin həcmli genişlənməsi lazımdır.
Gay-Lussac Qanunu
Artıq adı çəkilən fransız alimi 19-cu əsrin əvvəllərində ideal qazın termodinamik prosesləri ilə bağlı başqa qanun yaratdı. Bu qanunda deyilir: qaz sistemində sabit bir həcm saxlanılırsa, temperaturun artması təzyiqin mütənasib artmasına təsir göstərir və əksinə. Gey-Lussac düsturu belə görünür:
P / T=k3 V ilə=sabit.
Yenə qazın kütləsindən və həcmindən asılı olan k3 sabitinə sahibik. Sabit həcmdə termodinamik proses izoxorik adlanır. P(T) qrafikindəki izoxorlar izobarlarla eyni görünür, yəni düz xətlərdir.
Avogadro Prinsip
İdeal qazın hal tənliyini nəzərdən keçirərkən, onlar çox vaxt yuxarıda göstərilən və bu tənliyin xüsusi halları olan yalnız üç qanunu xarakterizə edirlər. Buna baxmayaraq, ümumi olaraq Amedeo Avogadro prinsipi adlanan başqa bir qanun var. Bu, həmçinin ideal qaz tənliyinin xüsusi halıdır.
1811-ci ildə italyan Amedeo Avoqadro müxtəlif qazlarla apardığı çoxsaylı təcrübələr nəticəsində belə nəticəyə gəldi: qaz sistemində təzyiq və temperatur saxlanılırsa, onda onun həcmi V ilə düz mütənasibdir. miqdarmaddələr n. Maddənin hansı kimyəvi təbiətə malik olmasının əhəmiyyəti yoxdur. Avogadro aşağıdakı nisbəti təyin etdi:
n / V=k4,
burada k4 sabiti sistemdəki təzyiq və temperaturla müəyyən edilir.
Avoqadro prinsipi bəzən belə formalaşdırılır: verilmiş temperaturda və təzyiqdə 1 mol ideal qazın tutduğu həcm təbiətindən asılı olmayaraq həmişə eyni olur. Xatırladaq ki, 1 mol maddə NA rəqəmidir və maddəni təşkil edən elementar vahidlərin (atomlar, molekullar) sayını əks etdirir (NA=6.021023).
Mendeleyev-Klapeyron qanunu
İndi məqalənin əsas mövzusuna qayıtmağın vaxtıdır. Tarazlıqda olan istənilən ideal qazı aşağıdakı tənliklə təsvir etmək olar:
PV=nRT.
Bu ifadə Mendeleyev-Klapeyron qanunu adlanır - onun formalaşmasında böyük əməyi olan alimlərin adları ilə. Qanunda deyilir ki, təzyiqin qazın həcminə hasili həmin qazdakı maddə miqdarının və onun temperaturunun hasilinə düz mütənasibdir.
Klapeyron ilk dəfə Boyle-Mariotte, Charles, Gay-Lussac və Avogadro-nun tədqiqatlarının nəticələrini ümumiləşdirərək bu qanunu əldə etdi. Mendeleyevin məziyyəti ondan ibarətdir ki, o, R sabitini təqdim etməklə ideal qazın əsas tənliyini müasir formada vermişdir. Klapeyron riyazi tərtibində sabitlər toplusundan istifadə etmişdir ki, bu da praktiki məsələlərin həlli üçün bu qanundan istifadəni əlverişsiz edirdi.
Mendeleyev tərəfindən təqdim edilən R dəyəriuniversal qaz sabiti adlanır. Temperaturun 1 kelvin artması ilə izobar genişlənmə nəticəsində hər hansı kimyəvi təbiətli qazın 1 molunun nə qədər iş gördüyünü göstərir. Avogadro sabiti NA və Boltzman sabiti kB vasitəsilə bu dəyər aşağıdakı kimi hesablanır:
R=NA kB=8, 314 J/(molK).
Tənliyin törəməsi
Termodinamikanın və statistik fizikanın hazırkı vəziyyəti əvvəlki paraqrafda yazılmış ideal qaz tənliyini bir neçə fərqli yolla əldə etməyə imkan verir.
Birinci yol yalnız iki empirik qanunu ümumiləşdirməkdir: Boyle-Mariotte və Charles. Bu ümumiləşdirmədən aşağıdakı forma gəlir:
PV / T=sabit.
XIX əsrin 30-cu illərində Klapeyron məhz bunu edirdi.
İkinci yol ICB-nin müddəalarına müraciət etməkdir. Hər bir hissəciyin qabın divarı ilə toqquşması zamanı ötürdüyü impulsu nəzərə alsaq, bu impulsun temperaturla əlaqəsini nəzərə alsaq, həmçinin sistemdəki N hissəciklərinin sayını nəzərə alsaq, ideal qazı yaza bilərik. kinetik nəzəriyyədən aşağıdakı formada tənlik:
PV=NkB T.
Tənliyin sağ tərəfini NA ədədinə vurub bölməklə yuxarıdakı paraqrafda yazıldığı formada tənliyi əldə edirik.
İdeal qazın vəziyyət tənliyini əldə etməyin üçüncü daha mürəkkəb yolu var - Helmholtz sərbəst enerjisi konsepsiyasından istifadə edən statistik mexanikadan.
Tənliyin qazın kütləsi və sıxlığı baxımından yazılması
Yuxarıdakı rəqəm ideal qaz tənliyini göstərir. Tərkibində n maddəsinin miqdarı var. Lakin praktikada ideal qazın dəyişən və ya sabit kütləsi m çox vaxt məlumdur. Bu halda tənlik aşağıdakı formada yazılacaq:
PV=m / MRT.
M - verilmiş qaz üçün molar kütlə. Məsələn, oksigen O2 üçün 32 q/mol təşkil edir.
Nəhayət, sonuncu ifadəni çevirərək, onu bu şəkildə yenidən yaza bilərik:
P=ρ / MRT
Burada ρ maddənin sıxlığıdır.
Qazların qarışığı
İdeal qazların qarışığı D alton qanunu adlanan qanunla təsvir edilir. Bu qanun qarışığın hər bir komponenti üçün tətbiq olunan ideal qaz tənliyindən irəli gəlir. Həqiqətən, hər bir komponent bütün həcmi tutur və qarışığın digər komponentləri ilə eyni temperatura malikdir, bu da yazmağa imkan verir:
P=∑iPi=RT / V∑i i.
Yəni P qarışıqdakı ümumi təzyiq bütün komponentlərin Pi qismən təzyiqlərinin cəminə bərabərdir.
