Kiekvienas žmogus per savo gyvenimą susiduria su kūnais, kurie yra vienoje iš trijų agreguotų materijos būsenų. Paprasčiausia tirti agregacijos būsena yra dujos. Straipsnyje apžvelgsime idealių dujų sąvoką, pateiksime sistemos būsenos lygtį, taip pat atkreipsime dėmesį į absoliučios temperatūros aprašymą.
Dujų būsena
Kiekvienas mokinys, išgirdęs žodį „dujos“, gerai supranta, apie kokią medžiagos būseną kalba. Šis žodis suprantamas kaip kūnas, galintis užimti bet kokį jam suteiktą tūrį. Jis nesugeba išlaikyti savo formos, nes negali atsispirti net menkiausiam išoriniam poveikiui. Be to, dujos neišlaiko tūrio, todėl jos skiriasi ne tik nuo kietų, bet ir nuo skysčių.
Dujos, kaip ir skystis, yra skysta medžiaga. Kietųjų kūnų judėjimo procese dujose pastarosios trukdo šiam judėjimui. Susidariusi jėga vadinama pasipriešinimu. Jo vertė priklauso nuokūno greitis dujose.
Stiprūs dujų pavyzdžiai yra oras, gamtinės dujos, naudojamos namų šildymui ir maisto ruošimui, inertinės dujos (Ne, Ar), naudojamos reklaminiams švytėjimo vamzdeliams užpildyti arba naudojamos inertinei (neagresyviai, apsauginei) aplinkai suvirinant sukurti..
Idealios dujos
Prieš aprašydami dujų dėsnius ir būsenos lygtį, turėtumėte gerai suprasti klausimą, kas yra idealios dujos. Ši sąvoka įdiegta molekulinės kinetikos teorijoje (MKT). Idealios dujos yra bet kurios dujos, kurios atitinka šias charakteristikas:
- Ją sudarančios dalelės nesąveikauja viena su kita, išskyrus tiesioginius mechaninius susidūrimus.
- Dėl dalelių susidūrimo su indo sienelėmis arba tarpusavyje išsaugoma jų kinetinė energija ir impulsas, tai yra, susidūrimas laikomas absoliučiai elastingu.
- Dalelės neturi matmenų, bet turi baigtinę masę, tai yra, jos panašios į materialius taškus.
Natūralu, kad bet kokios dujos yra ne idealios, o tikros. Nepaisant to, sprendžiant daugelį praktinių problemų, šie aproksimacijos yra gana pagrįsti ir gali būti naudojami. Egzistuoja bendra empirinė taisyklė, kuri sako: nepaisant cheminės prigimties, jei dujų temperatūra yra aukštesnė už kambario temperatūrą, o slėgis yra maždaug atmosferos arba žemesnis, tada jos gali būti laikomos idealiomis labai tiksliai ir gali būti naudojamos apibūdinti. tai.idealiųjų dujų būsenos lygties formulė.
Clapeyrono-Mendelejevo įstatymas
Perėjimus tarp skirtingų medžiagų agreguotų būsenų ir procesų vienoje agregato būsenoje tvarko termodinamika. Slėgis, temperatūra ir tūris yra trys dydžiai, kurie vienareikšmiškai apibrėžia bet kokią termodinaminės sistemos būseną. Idealiųjų dujų būsenos lygties formulė sujungia visus tris šiuos dydžius į vieną lygybę. Parašykime šią formulę:
PV=nRT
Čia P, V, T – atitinkamai slėgis, tūris, temperatūra. n reikšmė yra medžiagos kiekis moliais, o simbolis R žymi universalią dujų konstantą. Ši lygybė rodo, kad kuo didesnė slėgio ir tūrio sandauga, tuo didesnė turi būti medžiagos kiekio ir temperatūros sandauga.
Dujų būsenos lygties formulė vadinama Clapeyrono-Mendelejevo dėsniu. 1834 m. prancūzų mokslininkas Emile'as Clapeyronas, apibendrindamas savo pirmtakų eksperimentinius rezultatus, priėjo prie šios lygties. Tačiau Clapeyronas naudojo daugybę konstantų, kurias Mendelejevas vėliau pakeitė viena - universalia dujų konstanta R (8, 314 J / (molK)). Todėl šiuolaikinėje fizikoje ši lygtis pavadinta prancūzų ir rusų mokslininkų vardais.
Kitos lygčių formos
Aukščiau mes parašėme Mendelejevo-Clapeyrono būsenos lygtį idealioms dujoms pagal visuotinai priimtą irpatogi forma. Tačiau esant termodinamikos problemoms, dažnai gali prireikti šiek tiek kitokios formos. Žemiau parašytos dar trys formulės, kurios tiesiogiai išplaukia iš parašytos lygties:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Šios trys lygtys taip pat yra universalios idealioms dujoms, tik jose atsiranda tokie dydžiai kaip masė m, molinė masė M, tankis ρ ir sistemą sudarančių dalelių skaičius N. Simbolis kB čia žymi Boltzmanno konstantą (1, 3810-23J/K).
Boyle-Mariotte įstatymas
Kai Clapeyronas sudarė savo lygtį, jis rėmėsi dujų dėsniais, kurie buvo eksperimentiškai atrasti prieš kelis dešimtmečius. Vienas iš jų yra Boyle-Mariotte įstatymas. Tai atspindi izoterminį procesą uždaroje sistemoje, dėl kurio keičiasi tokie makroskopiniai parametrai kaip slėgis ir tūris. Jei į idealių dujų būsenos lygtį įdėsime T ir n konstantą, tada dujų dėsnis bus tokia forma:
P1V1=P2V 2
Tai Boyle-Mariotte dėsnis, kuris sako, kad slėgio ir tūrio sandauga išsaugoma savavališko izoterminio proceso metu. Šiuo atveju pačios P ir V reikšmės pasikeičia.
Jei nubraižote P(V) arba V(P), tada izotermos bus hiperbolės.
Čarlio ir gėjų-Lussacų įstatymai
Šie dėsniai matematiškai apibūdina izobarinį ir izochorinįprocesai, tai yra tokie perėjimai tarp dujų sistemos būsenų, kuriuose atitinkamai išsaugomas slėgis ir tūris. Charleso dėsnį matematiškai galima parašyti taip:
V/T=const, kai n, P=konst.
Gay-Lussac įstatymas parašytas taip:
P/T=const, kai n, V=konst.
Jei abi lygybės pateikiamos grafiko pavidalu, tai gausime tieses, kurios yra tam tikru kampu pasvirusios į x ašį. Šio tipo grafikas rodo tiesioginį proporcingumą tarp tūrio ir temperatūros esant pastoviam slėgiui ir tarp slėgio ir temperatūros esant pastoviam tūriui.
Atkreipkite dėmesį, kad visuose trijuose nagrinėjamuose dujų dėsniuose neatsižvelgiama į dujų cheminę sudėtį, taip pat į jų medžiagos kiekio pokyčius.
Absoliuti temperatūra
Kasdieniame gyvenime esame įpratę naudoti Celsijaus temperatūros skalę, nes ją patogu apibūdinti supančius procesus. Taigi, vanduo užverda 100 oC ir užšąla 0 oC temperatūroje. Fizikoje ši skalė pasirodo nepatogi, todėl naudojama vadinamoji absoliučios temperatūros skalė, kurią XIX amžiaus viduryje įvedė lordas Kelvinas. Pagal šią skalę temperatūra matuojama kelvinais (K).
Manoma, kad esant -273, 15 oC temperatūrai atomų ir molekulių šiluminių virpesių nėra, jų judėjimas į priekį visiškai sustoja. Ši temperatūra Celsijaus laipsniais atitinka absoliutų nulį kelvinais (0 K). Iš šio apibrėžimofizinė absoliučios temperatūros reikšmė: tai dalelių, sudarančių materiją, pavyzdžiui, atomų ar molekulių, kinetinės energijos matas.
Be aukščiau nurodytos fizinės absoliučios temperatūros reikšmės, yra ir kitų būdų suprasti šį dydį. Vienas iš jų – minėtas Charleso dujų įstatymas. Parašykime tai tokia forma:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Paskutinė lygybė sako, kad esant tam tikram medžiagos kiekiui sistemoje (pavyzdžiui, 1 mol) ir tam tikram slėgiui (pavyzdžiui, 1 Pa), dujų tūris vienareikšmiškai nustato absoliučią temperatūrą. Kitaip tariant, dujų tūrio padidėjimas tokiomis sąlygomis galimas tik dėl temperatūros padidėjimo, o tūrio sumažėjimas rodo T.
vertės sumažėjimą.
Prisiminkite, kad, skirtingai nei Celsijaus temperatūra, absoliuti temperatūra negali būti neigiama.
Avogadro principas ir dujų mišiniai
Be pirmiau minėtų dujų dėsnių, idealių dujų būsenos lygtis taip pat veda prie principo, kurį XIX amžiaus pradžioje atrado Amedeo Avogadro, kuris vadinasi jo pavarde. Šis principas nustato, kad bet kokių dujų tūrį esant pastoviam slėgiui ir temperatūrai lemia medžiagos kiekis sistemoje. Atitinkama formulė atrodo taip:
n/V=const, kai P, T=const.
Rašytinė išraiška veda prie gerai žinomo idealiųjų dujų fizikos D altono dėsnio dėl dujų mišinių. Taidėsnis teigia, kad dalinį dujų slėgį mišinyje vienareikšmiškai lemia jų atominė dalis.
Problemos sprendimo pavyzdys
Uždarame inde su standžiomis sienelėmis, kuriuose yra idealių dujų, dėl šildymo slėgis padidėjo 3 kartus. Būtina nustatyti galutinę sistemos temperatūrą, jei jos pradinė vertė buvo 25 oC.
Pirma, konvertuokime temperatūrą iš Celsijaus laipsnių į Kelviną, turime:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Kadangi indo sienelės yra standžios, kaitinimo procesas gali būti laikomas izochoriniu. Šiuo atveju taikome Gay-Lussac įstatymą, turime:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Taigi galutinė temperatūra nustatoma pagal slėgio santykio ir pradinės temperatūros sandaugą. Pakeitę duomenis į lygybę, gauname atsakymą: T2=894,45 K. Ši temperatūra atitinka 621,3 oC.
