Mus supančios materijos dujinė būsena yra viena iš trijų įprastų materijos formų. Fizikoje ši skystoji agregacijos būsena paprastai laikoma idealių dujų aproksimacija. Naudodamiesi šiuo aproksimavimu, straipsnyje aprašome galimus izoprocesus dujose.
Idealios dujos ir universali lygtis joms apibūdinti
Idealios dujos yra tos, kurių dalelės neturi matmenų ir nesąveikauja viena su kita. Akivaizdu, kad nėra nė vienos tiksliai šias sąlygas atitinkančių dujų, nes net ir mažiausias atomas – vandenilis – turi tam tikrą dydį. Be to, net tarp neutralių tauriųjų dujų atomų yra silpna van der Waalso sąveika. Tuomet kyla klausimas: kokiais atvejais galima nepaisyti dujų dalelių dydžio ir jų tarpusavio sąveikos? Atsakymas į šį klausimą bus šių fizikinių ir cheminių sąlygų laikymasis:
- žemas slėgis (apie 1 atmosfera ir žemiau);
- aukšta temperatūra (maždaug kambario temperatūros ir aukštesnė);
- cheminis molekulių ir atomų inertiškumasdujos.
Jei neįvykdoma bent viena iš sąlygų, dujos turėtų būti laikomos tikromis ir aprašytos specialia van der Waals lygtimi.
Prieš tiriant izoprocesus reikia atsižvelgti į Mendelejevo-Clapeyrono lygtį. Idealiųjų dujų lygtis yra jos antrasis pavadinimas. Jame yra tokia žyma:
PV=nRT
Tai yra, jis susieja tris termodinaminius parametrus: slėgį P, temperatūrą T ir tūrį V, taip pat medžiagos kiekį n. Simbolis R čia žymi dujų konstantą, ji lygi 8,314 J / (Kmol).
Kas yra izoprocesai dujose?
Šie procesai suprantami kaip perėjimai tarp dviejų skirtingų dujų būsenų (pradinės ir galutinės), dėl kurių vieni kiekiai išsaugomi, o kiti keičiasi. Dujose vyksta trys izoprocesų tipai:
- izoterminis;
- isobaric;
- izochorija.
Svarbu pažymėti, kad visi jie buvo eksperimentiškai ištirti ir aprašyti laikotarpiu nuo XVII amžiaus antrosios pusės iki XIX amžiaus 30-ųjų. Remdamasis šiais eksperimentiniais rezultatais, Emilis Clapeyronas 1834 m. išvedė lygtį, kuri yra universali dujoms. Šis straipsnis sudarytas atvirkščiai – taikant būsenos lygtį, gauname formules izoprocesams idealiose dujose.
Perėjimas prie pastovios temperatūros
Tai vadinama izoterminiu procesu. Iš idealių dujų būsenos lygties išplaukia, kad esant pastoviai absoliučiai temperatūrai uždaroje sistemoje produktas turi išlikti pastovustūris ir slėgis, t.y.:
PV=const
Šį ryšį iš tiesų pastebėjo Robertas Boyle'as ir Edmas Mariotte'as XVII amžiaus antroje pusėje, todėl šiuo metu užfiksuota lygybė pavadinta jų vardais.
Funkcinės priklausomybės P(V) arba V(P), išreikštos grafiškai, atrodo kaip hiperbolės. Kuo aukštesnėje temperatūroje atliekamas izoterminis eksperimentas, tuo didesnis produktas PV.
Izoterminio proceso metu dujos plečiasi arba susitraukia, dirbdamos nekeičiant savo vidinės energijos.
Perėjimas esant pastoviam slėgiui
Dabar panagrinėkime izobarinį procesą, kurio metu slėgis palaikomas pastovus. Tokio perėjimo pavyzdys yra dujų šildymas po stūmokliu. Dėl kaitinimo didėja dalelių kinetinė energija, jos pradeda dažniau ir su didesne jėga daužytis į stūmoklį, dėl to dujos plečiasi. Plečiantis dujos atlieka tam tikrą darbą, kurio efektyvumas yra 40% (monatominėms dujoms).
Šiam izoprocesui idealių dujų būsenos lygtis sako, kad turi galioti toks ryšys:
V/T=const
Jį lengva gauti, jei pastovus slėgis perkeliamas į dešinę Clapeyron lygties pusę, o temperatūra - į kairę. Ši lygybė vadinama Charleso įstatymu.
Lygybė rodo, kad funkcijos V(T) ir T(V) diagramose atrodo kaip tiesios linijos. Linijos V(T) nuolydis abscisių atžvilgiu bus mažesnis, tuo didesnis slėgisP.
Perėjimas pastoviu garsu
Paskutinis izoprocesas dujose, kurį aptarsime straipsnyje, yra izochorinis perėjimas. Naudojant universalią Clapeyron lygtį šiam perėjimui nesunku gauti tokią lygybę:
P/T=const
Izochorinį perėjimą apibūdina Gėjų-Lussaco dėsnis. Matyti, kad grafiškai funkcijos P(T) ir T(P) bus tiesės. Iš visų trijų izochorinių procesų izochorinis yra efektyviausias, jei reikia padidinti sistemos temperatūrą dėl išorinės šilumos tiekimo. Šio proceso metu dujos neveikia, tai yra, visa šiluma bus nukreipta į sistemos vidinės energijos didinimą.
