Pagrindinis dujų sistemų termodinamikos tyrimo objektas yra termodinaminių būsenų kitimas. Dėl tokių pokyčių dujos gali atlikti darbą ir kaupti vidinę energiją. Toliau esančiame straipsnyje panagrinėkime skirtingus termodinaminius perėjimus idealiose dujose. Ypatingas dėmesys bus skiriamas izoterminio proceso grafiko tyrimui.
Idealios dujos
Spręsdami iš paties pavadinimo, galime teigti, kad 100% idealių dujų gamtoje nėra. Tačiau daugelis tikrų medžiagų praktiškai tiksliai atitinka šią koncepciją.
Idealios dujos yra bet kokios dujos, kurių dalelių ir jų dydžių sąveikos gali būti nepaisoma. Abi sąlygos tenkinamos tik tuo atveju, jei molekulių kinetinė energija bus daug didesnė už potencialią jų tarpusavio ryšių energiją, o atstumai tarp molekulių bus daug didesni nei dalelių dydis.
Norėdami nustatyti, kuris yraJei tiriamos dujos yra idealios, galite vadovautis paprasta nykščio taisykle: jei temperatūra sistemoje yra aukštesnė už kambario temperatūrą, slėgis labai nesiskiria nuo atmosferos slėgio arba mažesnis už jį, o molekulės, sudarančios sistemą yra chemiškai inertiškos, tada dujos bus idealios.
Pagrindinis įstatymas
Mes kalbame apie idealiųjų dujų lygtį, kuri dar vadinama Clapeyrono-Mendelejevo dėsniu. Šią lygtį XIX amžiaus 30-ajame dešimtmetyje užrašė prancūzų inžinierius ir fizikas Emile'as Clapeyronas. Po kelių dešimtmečių rusų chemikas Mendelejevas jį įnešė į šiuolaikinę formą. Ši lygtis atrodo taip:
PV=nRT.
Kairėje lygties pusėje yra slėgio P ir tūrio V sandauga, dešinėje lygties pusėje yra temperatūros T ir medžiagos n sandauga. R yra universali dujų konstanta. Atminkite, kad T yra absoliuti temperatūra, matuojama kelvinais.
Clapeyrono-Mendelejevo dėsnis pirmiausia buvo gautas iš ankstesnių dujų įstatymų rezultatų, tai yra, jis buvo pagrįstas tik eksperimentine baze. Tobulėjant šiuolaikinei fizikai ir skysčių kinetinei teorijai, idealiųjų dujų lygtis gali būti sudaryta atsižvelgiant į mikroskopinį sistemos dalelių elgesį.
Izoterminis procesas
Nepriklausomai nuo to, ar šis procesas vyksta dujose, skysčiuose ar kietose medžiagose, jis turi labai aiškų apibrėžimą. Izoterminis perėjimas yra perėjimas tarp dviejų būsenų, kuriose sistemos temperatūraišsaugotas, tai yra, išlieka nepakitęs. Todėl izoterminio proceso grafikas laiko (x ašis) – temperatūros (y ašis) ašyse bus horizontali linija.
Kalbant apie idealias dujas, pastebime, kad jų izoterminis perėjimas vadinamas Boyle-Mariotte dėsniu. Šis dėsnis buvo atrastas eksperimentiškai. Be to, jis tapo pirmuoju šioje srityje (XVII a. antroji pusė). Jį gali gauti kiekvienas mokinys, atsižvelgęs į dujų elgseną uždaroje sistemoje (n=const) esant pastoviai temperatūrai (T=const). Naudodami būsenos lygtį, gauname:
nRT=const=>
PV=konst.
Paskutinė lygybė yra Boyle-Mariotte dėsnis. Fizikos vadovėliuose taip pat galite rasti šią rašymo formą:
P1 V1=P2 V 2.
Pereinant iš 1 izoterminės būsenos į 2 termodinaminę būseną, uždaroje dujų sistemoje tūrio ir slėgio sandauga išlieka pastovi.
Tyriamas dėsnis kalba apie atvirkštinį proporcingumą tarp P ir V reikšmių:
P=const / V.
Tai reiškia, kad izoterminio proceso grafikas idealiose dujose bus hiperbolės kreivė. Toliau esančiame paveikslėlyje parodytos trys hiperbolės.
Kiekviena iš jų vadinama izoterma. Kuo aukštesnė temperatūra sistemoje, tuo toliau nuo koordinačių ašių bus izoterma. Iš aukščiau pateikto paveikslo galime daryti išvadą, kad žalia spalva atitinka aukščiausią temperatūrą sistemoje, o mėlyna - žemiausią, su sąlyga, kad medžiagos kiekis visose trijosesistemos yra vienodos. Jei visos paveiksle pateiktos izotermos sukurtos tai pačiai temperatūrai, tai reiškia, kad žalia kreivė atitinka didžiausią sistemą pagal medžiagos kiekį.
Vidinės energijos pokytis izoterminio proceso metu
Idealiųjų dujų fizikoje vidinė energija suprantama kaip kinetinė energija, susijusi su molekulių sukimosi ir transliacijos judėjimu. Iš kinetinės teorijos nesunku gauti tokią vidinės energijos U formulę:
U=z / 2nRT.
Kur z yra laisvo molekulių judėjimo laipsnių skaičius. Jis svyruoja nuo 3 (monatominės dujos) iki 6 (daugiaatominės molekulės).
Izoterminio proceso atveju temperatūra išlieka pastovi, o tai reiškia, kad vienintelė vidinės energijos pokyčio priežastis yra medžiagos dalelių išėjimas arba patekimas į sistemą. Taigi uždarose sistemose, kai jų būsena pasikeičia izotermiškai, išsaugoma vidinė energija.
Izobariniai ir izochoriniai procesai
Be Boyle-Mariotte dėsnio, yra dar du pagrindiniai dujų dėsniai, kurie taip pat buvo atrasti eksperimentiniu būdu. Jie turi prancūzų Charleso ir Gay-Lussac vardus. Matematiškai jie parašyti taip:
V / T=const, kai P=const;
P / T=const, kai V=const.
Čarlio dėsnis sako, kad izobarinio proceso metu (P=const) tūris tiesiškai priklauso nuo absoliučios temperatūros. Gay-Lussac dėsnis rodo tiesinį ryšį tarp slėgio ir absoliučios temperatūros izochorinėjeperėjimas (V=const).
Iš pateiktų lygčių matyti, kad izobarinių ir izochorinių perėjimų grafikai labai skiriasi nuo izoterminio proceso. Jei izoterma yra hiperbolės formos, tada izobaras ir izochoras yra tiesios linijos.
Izobarinis-izoterminis procesas
Svarstant dujų dėsnius, kartais pamirštama, kad be T, P ir V reikšmių, gali keistis ir n reikšmė Clapeyrono-Mendelejevo dėsnyje. Jei nustatysime slėgį ir temperatūrą, gausime izobarinio-izoterminio perėjimo lygtį:
n / V=const, kai T=const, P=const.
Tiesinis ryšys tarp medžiagos kiekio ir tūrio rodo, kad tomis pačiomis sąlygomis skirtingos dujos, kuriose yra toks pat medžiagos kiekis, užima vienodus tūrius. Pavyzdžiui, įprastomis sąlygomis (0 oC, 1 atmosfera) bet kurių dujų molinis tūris yra 22,4 litro. Nagrinėjamas dėsnis vadinamas Avogadro principu. Tai yra D altono idealių dujų mišinių dėsnio pagrindas.
