Das Hauptthema der Untersuchung der Thermodynamik von Gassystemen ist die Änderung thermodynamischer Zustände. Durch solche Veränderungen kann das Gas Arbeit verrichten und innere Energie speichern. Lassen Sie uns im folgenden Artikel verschiedene thermodynamische Übergänge in einem idealen Gas untersuchen. Besonderes Augenmerk wird auf das Studium des Diagramms des isothermen Prozesses gelegt.
Ideale Gase
Schon nach dem Namen können wir sagen, dass 100% ideale Gase in der Natur nicht existieren. Viele reale Substanzen erfüllen dieses Konzept jedoch mit praktischer Genauigkeit.
Ein ideales Gas ist jedes Gas, in dem Wechselwirkungen zwischen seinen Teilchen und ihrer Größe vernachlässigt werden können. Beide Bedingungen sind nur dann erfüllt, wenn die kinetische Energie der Moleküle viel größer ist als die potentielle Energie der Bindungen zwischen ihnen und die Abstände zwischen den Molekülen viel größer sind als die Partikelgröße.
Um festzustellen, was istWenn das zu untersuchende Gas ideal ist, können Sie eine einfache Faustregel anwenden: Wenn die Temperatur im System über Raumtemperatur liegt, unterscheidet sich der Druck nicht sehr vom atmosphärischen Druck oder darunter und den Molekülen, aus denen das System besteht chemisch inert sind, dann ist das Gas ideal.
Hauptgesetz
Die Rede ist von der idealen Gasgleichung, die auch Clapeyron-Mendelejew-Gesetz genannt wird. Diese Gleichung wurde in den 30er Jahren des 19. Jahrhunderts vom französischen Ingenieur und Physiker Emile Clapeyron niedergeschrieben. Einige Jahrzehnte später brachte es der russische Chemiker Mendeleev in seine moderne Form. Diese Gleichung sieht so aus:
PV=nRT.
Auf der linken Seite der Gleichung steht das Produkt aus Druck P und Volumen V, auf der rechten Seite der Gleichung das Produkt aus Temperatur T und Stoffmenge n. R ist die universelle Gaskonstante. Beachten Sie, dass T die absolute Temperatur ist, die in Kelvin gemessen wird.
Das Clapeyron-Mendeleev-Gesetz wurde zuerst aus den Ergebnissen früherer Gasgesetze abgeleitet, das heißt, es basierte ausschließlich auf der experimentellen Basis. Mit der Entwicklung der modernen Physik und der kinetischen Fluidtheorie kann die ideale Gasgleichung aus der Berücksichtigung des mikroskopischen Verh altens der Teilchen des Systems abgeleitet werden.
Isothermischer Prozess
Egal ob dieser Prozess in Gasen, Flüssigkeiten oder Feststoffen abläuft, er hat eine sehr klare Definition. Ein isothermer Übergang ist ein Übergang zwischen zwei Zuständen, in denen die Temperatur des Systemserh alten, das heißt, bleibt unverändert. Daher wird der Graph des isothermen Prozesses in den Achsen Zeit (x-Achse) - Temperatur (y-Achse) eine horizontale Linie sein.
In Bezug auf ein ideales Gas stellen wir fest, dass der isotherme Übergang dafür das Boyle-Mariotte-Gesetz genannt wird. Dieses Gesetz wurde experimentell entdeckt. Außerdem wurde er der erste auf diesem Gebiet (zweite Hälfte des 17. Jahrhunderts). Sie kann von jedem Schüler erreicht werden, wenn er das Verh alten von Gas in einem geschlossenen System (n=const) bei konstanter Temperatur (T=const) betrachtet. Unter Verwendung der Zustandsgleichung erh alten wir:
nRT=const=>
PV=const.
Die letzte Gleichheit ist das Boyle-Mariotte-Gesetz. In Physiklehrbüchern findet man auch diese Schreibweise:
P1 V1=P2 V 2.
Beim Übergang vom isothermen Zustand 1 in den thermodynamischen Zustand 2 bleibt das Produkt aus Volumen und Druck für ein geschlossenes Gassystem konstant.
Das untersuchte Gesetz spricht von umgekehrter Proportionalität zwischen den Werten von P und V:
P=const / V.
Dies bedeutet, dass der Graph des isothermen Prozesses in einem idealen Gas eine Hyperbelkurve ist. In der folgenden Abbildung sind drei Hyperbeln dargestellt.
Jede davon wird Isotherme genannt. Je höher die Temperatur im System ist, desto weiter wird die Isotherme von den Koordinatenachsen entfernt sein. Aus der obigen Abbildung können wir schließen, dass Grün der höchsten Temperatur im System entspricht und Blau der niedrigsten, sofern die Stoffmenge in allen dreien vorhanden istSysteme ist das gleiche. Werden alle Isothermen in der Abbildung für die gleiche Temperatur gebaut, so entspricht die grüne Kurve dem stoffmengenmäßig größten System.
Änderung der inneren Energie während eines isothermen Prozesses
In der Physik idealer Gase wird innere Energie als kinetische Energie verstanden, die mit der Rotations- und Translationsbewegung von Molekülen verbunden ist. Aus der kinetischen Theorie erhält man leicht die folgende Formel für die innere Energie U:
U=z / 2nRT.
Wobei z die Gradzahl der freien Bewegung von Molekülen ist. Sie reicht von 3 (einatomiges Gas) bis 6 (mehratomige Moleküle).
Bei einem isothermen Prozess bleibt die Temperatur konstant, was bedeutet, dass der einzige Grund für die Änderung der inneren Energie das Ein- oder Austreten von Materieteilchen in das System ist. Somit bleibt in geschlossenen Systemen bei einer isothermen Zustandsänderung die innere Energie erh alten.
Isobare und isochore Prozesse
Zusätzlich zum Boyle-Mariotte-Gesetz gibt es zwei weitere grundlegende Gasgesetze, die ebenfalls experimentell entdeckt wurden. Sie tragen die Namen der Franzosen Charles und Gay-Lussac. Mathematisch werden sie so geschrieben:
V / T=const wenn P=const;
P / T=const wenn V=const.
Das Gesetz von Karl besagt, dass bei einem isobaren Prozess (P=const) das Volumen linear von der absoluten Temperatur abhängt. Das Gesetz von Gay-Lussac zeigt eine lineare Beziehung zwischen Druck und absoluter Temperatur bei IsochorieÜbergang (V=const).
Aus den gegebenen Gleichungen folgt, dass sich die Graphen der isobaren und isochoren Übergänge deutlich vom isothermen Prozess unterscheiden. Wenn die Isotherme die Form einer Hyperbel hat, dann sind Isobare und Isochore Geraden.
Isobar-isothermer Prozess
Bei der Betrachtung der Gasgesetze wird manchmal vergessen, dass sich neben den Werten von T, P und V auch der Wert von n im Clapeyron-Mendeleev-Gesetz ändern kann. Wenn wir Druck und Temperatur festlegen, erh alten wir die Gleichung des isobaren-isothermen Übergangs:
n / V=const wenn T=const, P=const.
Der lineare Zusammenhang zwischen Stoffmenge und Volumen legt nahe, dass unter gleichen Bedingungen unterschiedliche Gase mit gleicher Stoffmenge gleiche Volumina einnehmen. Beispielsweise beträgt unter normalen Bedingungen (0 oC, 1 Atmosphäre) das molare Volumen eines beliebigen Gases 22,4 Liter. Das betrachtete Gesetz wird Avogadro-Prinzip genannt. Es unterliegt dem D altonschen Gesetz idealer Gasgemische.
