الموضوع الرئيسي لدراسة الديناميكا الحرارية لأنظمة الغاز هو التغيير في الحالات الديناميكية الحرارية. نتيجة لمثل هذه التغييرات ، يمكن للغاز القيام بالعمل وتخزين الطاقة الداخلية. دعونا ندرس في المقالة أدناه التحولات الديناميكية الحرارية المختلفة في الغاز المثالي. سيتم إيلاء اهتمام خاص لدراسة الرسم البياني لعملية متساوي الحرارة.
غازات مثالية
بناءً على الاسم نفسه ، يمكننا القول أن الغازات المثالية بنسبة 100٪ غير موجودة في الطبيعة. ومع ذلك ، فإن العديد من المواد الحقيقية تلبي هذا المفهوم بدقة عملية.
الغاز المثالي هو أي غاز يمكن إهمال التفاعلات بين جزيئاته وأحجامها. يتم استيفاء كلا الشرطين فقط إذا كانت الطاقة الحركية للجزيئات أكبر بكثير من الطاقة الكامنة للروابط بينهما ، وستكون المسافات بين الجزيئات أكبر بكثير من حجم الجسيم.
لتحديد أيهماإذا كان الغاز قيد الدراسة مثاليًا ، فيمكنك استخدام قاعدة بسيطة: إذا كانت درجة الحرارة في النظام أعلى من درجة حرارة الغرفة ، فإن الضغط لا يختلف كثيرًا عن الضغط الجوي أو أقل منه ، والجزيئات التي يتكون منها النظام خاملة كيميائيا ، ثم الغاز سيكون مثاليا.
القانون الرئيسي
نحن نتحدث عن معادلة الغاز المثالية ، والتي تسمى أيضًا قانون Clapeyron-Mendeleev. تمت كتابة هذه المعادلة في ثلاثينيات القرن التاسع عشر بواسطة المهندس والفيزيائي الفرنسي إميل كلابيرون. بعد بضعة عقود ، قام الكيميائي الروسي Mendeleev بإحضارها إلى شكلها الحديث. تبدو هذه المعادلة كما يلي:
PV=nRT.
على الجانب الأيسر من المعادلة ناتج الضغط P والحجم V ، على الجانب الأيمن من المعادلة هو ناتج درجة الحرارة T وكمية المادة n. R هو ثابت الغاز العالمي. لاحظ أن T هي درجة الحرارة المطلقة ، والتي تقاس بالكلفن.
تم الحصول على قانون Clapeyron-Mendeleev لأول مرة من نتائج قوانين الغاز السابقة ، أي أنه كان يعتمد فقط على القاعدة التجريبية. مع تطور الفيزياء الحديثة والنظرية الحركية للسوائل ، يمكن اشتقاق معادلة الغاز المثالية من مراعاة السلوك المجهري لجزيئات النظام.
عملية متساوية
بغض النظر عما إذا كانت هذه العملية تحدث في الغازات أو السوائل أو المواد الصلبة ، فإن لها تعريفًا واضحًا جدًا. الانتقال متساوي الحرارة هو انتقال بين حالتين تكون فيهما درجة حرارة النظامالمحفوظة ، أي ، تبقى دون تغيير. لذلك ، سيكون الرسم البياني للعملية المتساوية في محاور الوقت (المحور س) - درجة الحرارة (المحور ص) خطًا أفقيًا.
فيما يتعلق بالغاز المثالي ، نلاحظ أن الانتقال متساوي الحرارة له يسمى قانون بويل ماريوت. تم اكتشاف هذا القانون تجريبيا. علاوة على ذلك ، أصبح الأول في هذا المجال (النصف الثاني من القرن السابع عشر). يمكن الحصول عليها من قبل كل طالب إذا اعتبر سلوك الغاز في نظام مغلق (n=const) عند درجة حرارة ثابتة (T=const). باستخدام معادلة الحالة ، نحصل على:
nRT=const=>
PV=ثابت.
المساواة الأخيرة هي قانون بويل ماريوت. في كتب الفيزياء ، يمكنك أيضًا العثور على هذا الشكل من كتابته:
P1 V1=P2 V2.
أثناء الانتقال من الحالة متساوي الحرارة 1 إلى الحالة الديناميكية الحرارية 2 ، يظل ناتج الحجم والضغط ثابتًا لنظام الغاز المغلق.
القانون المدروس يتحدث عن التناسب العكسي بين قيم P و V:
P=const / V.
هذا يعني أن الرسم البياني للعملية المتساوية في غاز مثالي سيكون منحنى القطع الزائد. ثلاثة أعمدة زائدة موضحة في الشكل أدناه.
كل واحد منهم يسمى متساوي الحرارة. كلما ارتفعت درجة الحرارة في النظام ، كلما ابتعدت درجة الحرارة عن محاور الإحداثيات. من الشكل أعلاه ، يمكننا أن نستنتج أن اللون الأخضر يتوافق مع أعلى درجة حرارة في النظام ، والأزرق يتوافق مع أدنى درجة حرارة ، بشرط أن تكون كمية المادة في الثلاثةالأنظمة هي نفسها. إذا كانت جميع متساوي الحرارة في الشكل مبنية على نفس درجة الحرارة ، فهذا يعني أن المنحنى الأخضر يتوافق مع أكبر نظام من حيث كمية المادة.
تغيير في الطاقة الداخلية أثناء عملية متساوية
في فيزياء الغازات المثالية ، تُفهم الطاقة الداخلية على أنها طاقة حركية مرتبطة بالحركة الدورانية والانتقالية للجزيئات. من السهل من النظرية الحركية الحصول على الصيغة التالية للطاقة الداخلية U:
U=z / 2nRT.
حيث z هو عدد درجات الحركة الحرة للجزيئات. يتراوح من 3 (غاز أحادي الذرة) إلى 6 (جزيئات متعددة الذرات).
في حالة وجود عملية متساوية الحرارة ، تظل درجة الحرارة ثابتة ، مما يعني أن السبب الوحيد للتغير في الطاقة الداخلية هو خروج أو وصول جزيئات المادة إلى النظام. وبالتالي ، في الأنظمة المغلقة ، أثناء تغيير متساوي الحرارة في حالتها ، يتم الحفاظ على الطاقة الداخلية.
عمليات متساوية الضغط ومتساوية الصدور
بالإضافة إلى قانون Boyle-Mariotte ، هناك قانونان أساسيان آخران للغاز تم اكتشافهما تجريبيًا. إنهم يحملون أسماء الفرنسيين تشارلز وجاي لوساك. رياضيا ، هي مكتوبة على النحو التالي:
V / T=const عندما P=const ؛
P / T=const عندما V=const.
ينص قانون تشارلز على أنه خلال عملية متساوية الضغط (P=const) ، يعتمد الحجم خطيًا على درجة الحرارة المطلقة. يشير قانون جاي لوساك إلى وجود علاقة خطية بين الضغط ودرجة الحرارة المطلقة عند توازن ضغط الدمالانتقال (V=const).
من المساواة المعطاة ، يترتب على ذلك أن الرسوم البيانية للانتقالات متساوية الضغط وتساوي الضغط تختلف اختلافًا كبيرًا عن العملية متساوية الحرارة. إذا كان متساوي الحرارة على شكل قطع زائد ، فإن متساوي الضغط والإيزوكور عبارة عن خطوط مستقيمة.
عملية متساوية الضغط
عند النظر في قوانين الغاز ، يُنسى أحيانًا أنه بالإضافة إلى قيم T و P و V ، يمكن أيضًا تغيير قيمة n في قانون Clapeyron-Mendeleev. إذا أصلحنا الضغط ودرجة الحرارة ، فسنحصل على معادلة الانتقال متساوي الضغط:
n / V=const عندما T=const ، P=const.
تشير العلاقة الخطية بين كمية المادة والحجم إلى أنه في ظل نفس الظروف ، تحتل الغازات المختلفة التي تحتوي على نفس الكمية من المادة أحجامًا متساوية. على سبيل المثال ، في ظل الظروف العادية (0oC ، 1 جو) ، يبلغ الحجم المولي لأي غاز 22.4 لترًا. يسمى القانون المدروس مبدأ أفوجادرو. إنه أساس قانون دالتون لمخاليط الغاز المثالية.
