Zərrəciklərin kinetik enerjisinin onların potensial qarşılıqlı təsir enerjisini xeyli üstələyən maddənin ümumi vəziyyətinə qaz deyilir. Belə maddələrin fizikası orta məktəbdə nəzərdən keçirilməyə başlayır. Bu maye maddənin riyazi təsvirində əsas məsələ ideal qaz üçün vəziyyət tənliyidir. Bunu məqalədə ətraflı öyrənəcəyik.
İdeal qaz və onun realdan fərqi
Bildiyiniz kimi, hər hansı bir qaz vəziyyəti onu təşkil edən molekulların və atomların müxtəlif sürətləri ilə xaotik hərəkətlə xarakterizə olunur. Həqiqi qazlarda, məsələn, havada hissəciklər bir-biri ilə bu və ya digər şəkildə qarşılıqlı təsir göstərir. Əsasən, bu qarşılıqlı əlaqə van der Waals xarakteri daşıyır. Bununla belə, əgər qaz sisteminin temperaturları yüksəkdirsə (otaq temperaturu və ondan yuxarı) və təzyiq böyük deyilsə (atmosferə uyğundur), onda van der Waals qarşılıqlı təsirləri o qədər kiçikdir ki,bütün qaz sisteminin makroskopik davranışına təsir göstərir. Bu halda onlar idealdan danışırlar.
Yuxarıdakı məlumatları bir tərifdə birləşdirərək deyə bilərik ki, ideal qaz hissəciklər arasında heç bir qarşılıqlı təsirin olmadığı bir sistemdir. Hissəciklərin özləri ölçüsüzdür, lakin müəyyən kütləyə malikdir və hissəciklərin damarın divarları ilə toqquşması elastikdir.
İnsanın gündəlik həyatda qarşılaşdığı praktiki olaraq bütün qazlar (hava, qaz sobalarında təbii metan, su buxarı) bir çox praktik problemlər üçün qənaətbəxş dəqiqliklə ideal hesab edilə bilər.
Fizikada ideal qaz hal tənliyinin yaranması üçün ilkin şərtlər
Bəşəriyyət XVII-XIX əsrlər ərzində maddənin qaz halını elmi baxımdan fəal şəkildə öyrənmişdir. İzotermik prosesi təsvir edən ilk qanun V sisteminin həcmi ilə onun içindəki təzyiq P arasında aşağıdakı əlaqə idi:
Robert Boyl və Edme Mariotte tərəfindən eksperimental olaraq kəşf edilmişdir.
PV=const, ilə T=const
XVII əsrin ikinci yarısında müxtəlif qazlarla təcrübə aparan adıçəkilən alimlər müəyyən ediblər ki, təzyiqin həcmdən asılılığı həmişə hiperbola şəklinə malikdir.
Sonra, 18-ci əsrin sonu - 19-cu əsrin əvvəllərində fransız alimləri Şarl və Gey-Lyusak eksperimental olaraq izobar və izoxorik prosesləri riyazi təsvir edən daha iki qaz qanununu kəşf etdilər. Hər iki qanun aşağıda verilmişdir:
- V / T=sabit, P=sabit olduqda;
- P / T=sabit, V ilə=sabit.
Hər iki bərabərlik müvafiq olaraq sabit təzyiq və həcmi saxlamaqla qazın həcmi ilə temperatur, həmçinin təzyiq və temperatur arasında birbaşa mütənasibliyi göstərir.
İdeal qazın hal tənliyini tərtib etmək üçün digər ilkin şərt 1910-cu illərdə Amedeo Avagadro tərəfindən aşağıdakı əlaqənin kəşfi idi:
n / V=sabit, T ilə, P=sabit
İtalyan eksperimental olaraq sübut etdi ki, əgər n maddəsinin miqdarını artırsanız, sabit temperatur və təzyiqdə həcm xətti olaraq artacaq. Ən təəccüblüsü o idi ki, eyni təzyiq və temperaturda müxtəlif təbiətli qazlar, onların sayı üst-üstə düşərsə, eyni həcmi tuturdu.
Klapeyron-Mendeleyev qanunu
19-cu əsrin 30-cu illərində fransız Emil Klapeyron ideal qaz üçün vəziyyət tənliyini verdiyi bir əsər nəşr etdi. Müasir formadan bir qədər fərqli idi. Xüsusilə, Klapeyron sələfləri tərəfindən eksperimental olaraq ölçülmüş müəyyən sabitlərdən istifadə etdi. Bir neçə onillikdən sonra həmyerlimiz D. İ. Mendeleyev Klapeyron sabitlərini təklə - universal qaz sabiti R ilə əvəz etdi. Nəticədə universal tənlik müasir forma aldı:
PV=nRT
Bunun yuxarıda məqalədə yazılmış qaz qanunlarının düsturlarının sadə kombinasiyası olduğunu təxmin etmək asandır.
Bu ifadədəki R sabitinin çox xüsusi fiziki mənası var. 1 molun görəcəyi işi göstərir.temperaturun 1 kelvin artması ilə genişlənərsə qaz (R=8.314 J / (molK)).
Universal tənliyin digər formaları
İdeal qaz üçün universal hal tənliyinin yuxarıdakı formasından başqa, başqa kəmiyyətlərdən istifadə edən vəziyyət tənlikləri də mövcuddur. Bunlar aşağıdadır:
- PV=m / MRT;
- PV=NkB T;
- P=ρRT / M.
Bu bərabərliklərdə m ideal qazın kütləsi, N sistemdəki hissəciklərin sayı, ρ qazın sıxlığı, M molyar kütlənin qiymətidir.
Yadda saxlayın ki, yuxarıda yazılmış düsturlar yalnız bütün fiziki kəmiyyətlər üçün SI vahidləri istifadə edildikdə etibarlıdır.
Nümunə problem
Lazımi nəzəri məlumatları aldıqdan sonra aşağıdakı problemi həll edəcəyik. Təmiz azot 1,5 atm təzyiqdədir. həcmi 70 litr olan bir silindrdə. İdeal qazın 50 °C temperaturda olduğu məlumdursa, onun mollarının sayını və kütləsini müəyyən etmək lazımdır.
Əvvəlcə SI-də bütün ölçü vahidlərini yazaq:
1) P=1,5101325=151987,5 Pa;
2) V=7010-3=0,07 m3;
3) T=50 + 273, 15=323, 15 K.
İndi bu məlumatları Klapeyron-Mendeleyev tənliyinə əvəz edirik, maddənin miqdarının qiymətini alırıq:
n=PV / (RT)=151987,50,07 / (8,314323,15)=3,96 mol
Azotun kütləsini təyin etmək üçün onun kimyəvi formulunu xatırlamalı və dəyərinə baxmalısınız. Bu element üçün dövri cədvəldə molyar kütlə:
M(N2)=142=0,028 kq/mol.
Qazın kütləsi:
m=nM=3,960,028=0,111 kq
Beləliklə, şarda azotun miqdarı 3,96 mol, kütləsi 111 qramdır.
