Qaz sistemlərinin termodinamikasının öyrənilməsinin əsas mövzusu termodinamik vəziyyətlərin dəyişməsidir. Belə dəyişikliklər nəticəsində qaz iş görə bilir və daxili enerjini saxlaya bilir. Aşağıdakı məqalədə ideal qazda müxtəlif termodinamik keçidləri araşdıraq. İzotermik prosesin qrafikinin öyrənilməsinə xüsusi diqqət yetiriləcək.
İdeal qazlar
Adına əsasən deyə bilərik ki, 100% ideal qazlar təbiətdə yoxdur. Bununla belə, bir çox real maddələr bu konsepsiyanı praktiki dəqiqliklə təmin edir.
İdeal qaz, onun hissəcikləri və ölçüləri arasında qarşılıqlı təsirlərin nəzərə alına bildiyi istənilən qazdır. Hər iki şərt yalnız o halda təmin edilir ki, molekulların kinetik enerjisi onlar arasındakı bağların potensial enerjisindən çox böyük olsun və molekullar arasındakı məsafələr hissəcik ölçüsündən çox böyük olsun.
Hansı olduğunu müəyyən etmək üçünTədqiq olunan qaz idealdırsa, sadə bir qaydadan istifadə edə bilərsiniz: sistemdəki temperatur otaq temperaturundan yuxarıdırsa, təzyiq atmosfer təzyiqindən çox fərqlənmir və ya ondan azdır və sistemi təşkil edən molekullar kimyəvi cəhətdən təsirsizdirsə, qaz ideal olacaq.
Əsas Qanun
Söhbət ideal qaz tənliyindən gedir ki, ona Klapeyron-Mendeleyev qanunu da deyilir. Bu tənliyi XIX əsrin 30-cu illərində fransız mühəndisi və fiziki Emil Klapeyron yazıb. Bir neçə onillikdən sonra rus kimyaçısı Mendeleyev onu müasir formasına gətirdi. Bu tənlik belə görünür:
PV=nRT.
Tənliyin sol tərəfində təzyiqin P və həcminin hasili V, tənliyin sağ tərəfində temperaturun T və n maddənin miqdarının hasilidir. R universal qaz sabitidir. Qeyd edək ki, T Kelvinlə ölçülən mütləq temperaturdur.
Klapeyron-Mendeleyev qanunu ilk dəfə əvvəlki qaz qanunlarının nəticələrindən əldə edilmişdir, yəni yalnız eksperimental bazaya əsaslanırdı. Müasir fizikanın və mayelərin kinetik nəzəriyyəsinin inkişafı ilə sistemin hissəciklərinin mikroskopik davranışını nəzərə alaraq ideal qaz tənliyi əldə edilə bilər.
İzotermik proses
Bu prosesin qazlarda, mayelərdə və ya bərk cisimlərdə baş verməsindən asılı olmayaraq, onun çox aydın tərifi var. İzotermik keçid, sistemin temperaturu olan iki vəziyyət arasında bir keçiddirqorunub saxlanılır, yəni dəyişməz qalır. Buna görə də izotermik prosesin zaman oxlarında (x oxu) - temperaturda (y oxu) qrafiki üfüqi xətt olacaq.
İdeal qazla bağlı qeyd edirik ki, onun üçün izotermik keçid Boyl-Mariot qanunu adlanır. Bu qanun eksperimental olaraq kəşf edilmişdir. Üstəlik, o, bu sahədə birinci oldu (XVII əsrin ikinci yarısı). Bunu hər bir tələbə qapalı sistemdə (n=const) sabit temperaturda (T=const) qazın davranışını nəzərə aldıqda əldə edə bilər. Vəziyyət tənliyindən istifadə edərək əldə edirik:
nRT=const=>
PV=sabit.
Sonuncu bərabərlik Boyle-Mariotte qanunudur. Fizika dərsliklərində siz bu yazı formasını da tapa bilərsiniz:
P1 V1=P2 V 2.
İzotermik vəziyyət 1-dən termodinamik vəziyyət 2-yə keçid zamanı qapalı qaz sistemi üçün həcm və təzyiq məhsulu sabit qalır.
Öyrənilən qanun P və V dəyərləri arasında tərs mütənasiblikdən danışır:
P=sabit / V.
Bu o deməkdir ki, ideal qazda izotermik prosesin qrafiki hiperbola əyrisi olacaqdır. Aşağıdakı şəkildə üç hiperbola göstərilib.
Onların hər birinə izoterm deyilir. Sistemdəki temperatur nə qədər yüksək olarsa, izoterm koordinat oxlarından bir o qədər uzaq olacaqdır. Yuxarıdakı şəkildən belə nəticəyə gələ bilərik ki, yaşıl sistemdəki ən yüksək temperatura, mavi isə ən aşağı temperatura uyğundur, bir şərtlə ki, hər üçdə maddə miqdarısistemləri eynidir. Şəkildəki bütün izotermlər eyni temperatur üçün qurulubsa, bu o deməkdir ki, yaşıl əyri maddənin miqdarına görə ən böyük sistemə uyğundur.
İzotermik proses zamanı daxili enerjinin dəyişməsi
İdeal qazların fizikasında daxili enerji molekulların fırlanma və ötürmə hərəkəti ilə əlaqəli kinetik enerji kimi başa düşülür. Kinetik nəzəriyyədən daxili enerji U üçün aşağıdakı düsturu əldə etmək asandır:
U=z / 2nRT.
Burada z molekulların sərbəst hərəkət dərəcələrinin sayıdır. 3 (monatomik qaz) ilə 6 (çox atomlu molekullar) arasında dəyişir.
İzotermik proses zamanı temperatur sabit qalır, bu isə o deməkdir ki, daxili enerjinin dəyişməsinin yeganə səbəbi maddə hissəciklərinin sistemə çıxması və ya gəlməsidir. Beləliklə, qapalı sistemlərdə vəziyyətlərinin izotermik dəyişməsi zamanı daxili enerji saxlanılır.
İzobarik və izoxorik proseslər
Boyl-Mariotte qanununa əlavə olaraq, eksperimental olaraq kəşf edilmiş daha iki əsas qaz qanunu var. Onlar fransız Charles və Gay-Lussacın adlarını daşıyırlar. Riyazi olaraq onlar belə yazılır:
V / T=sabit olduqda P=sabit;
P / T=sabit olduqda V=sabit.
Çarlz qanunu deyir ki, izobar proses zamanı (P=const) həcm mütləq temperaturdan xətti asılıdır. Gey-Lussac qanunu izoxoriyada təzyiq və mütləq temperatur arasında xətti əlaqəni göstərirkeçid (V=sabit).
Verilmiş bərabərliklərdən belə çıxır ki, izobar və izoxorik keçidlərin qrafikləri izotermik prosesdən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir. İzoterm hiperbolanın formasına malikdirsə, o zaman izobar və izoxor düz xətlərdir.
İzobarik-izotermik proses
Qaz qanunlarını nəzərdən keçirərkən bəzən unudulur ki, T, P və V qiymətləri ilə yanaşı, Klapeyron-Mendeleyev qanununda n dəyəri də dəyişə bilər. Təzyiq və temperaturu təyin etsək, izobar-izotermik keçidin tənliyini alırıq:
n / V=sabit olduqda T=sabit, P=sabit.
Maddənin miqdarı ilə həcm arasındakı xətti əlaqə onu deməyə əsas verir ki, eyni şəraitdə tərkibində eyni miqdarda maddə olan müxtəlif qazlar bərabər həcmlər tutur. Məsələn, normal şəraitdə (0 oC, 1 atmosfer) istənilən qazın molyar həcmi 22,4 litrdir. Baxılan qanuna Avoqadro prinsipi deyilir. Bu, D altonun ideal qaz qarışıqları qanununun əsasını təşkil edir.
