Температура (t), об’єм (V) і тиск (P) є головними параметрами стану газу. Будь-яка зміна, яка може протікати в речовині, у фізиці називається термодинамічним процесом (ТП).
Трактування понять
Газ є одним з чинних агрегатних станів речовини, для якого характерний слабкий зв’язок між компонентами і велика рухливість частинок. Останні пересуватимуться хаотично і вільно. При їх зіткненні змінюється їх характер руху.
У термодинаміки розрізняються два стани газу:
- насичені пари або системи з двома фазами;
- перегріті пари або однофазові системи.
Гази, як і рідини, мають текучість. Вони добре чинять опір деформації. На відміну від води, газ не має фіксованого об’єму. Він прагне заповнити всю посудину. Ізопроцеси в газах підкоряються законам, які визначають залежність між двома параметрами речовини при постійному значенні третього. Оскільки рівняння справедливо для будь-якої суміші, тому формула ізотермічного процесу (ІП) виражається наступним чином:
T = const
Саме поняття ізотермічного процесу трактується як новий стан речовини, що протікає при незмінній температурі.
Рівність зображується на графіку ізопроцесів за допомогою гіперболи і координат. Окремо відзначаються ізотерми при різних значеннях температури. В останньому випадку дотримується нерівність:
Т1< Т2
Інше поняття, характерне для Р газів — ізобарний процес. Стан суміші змінюється, але кількість тиску залишається постійною. У посудині можуть відбуватися такі явища:
- розширення;
- стиснення;
- охолодження;
- нагрівання.
З математичної точки зору, графічне зображення явища є лінійною залежністю.
Ще одним прикладом стану газу вважається ізохорний процес. Його математичний вигляд:
V = const
Під ізохорного процесу явищем у фізиці мається на увазі зміна стан суміші, що протікає при постійному V. Закон Шарля: для частинок певної маси відношення P/t постійно, якщо V const. Графічно закон ізопроцесу діє при різних об’ємах.
Він присвятив свої дослідження:
- теплоті;
- рівновазі твердих об’єктів;
- пластичності.
Еміль першим оцінив значення праці Карно. Йому вдалося ввести в термодинаміку графічний спосіб, діаграми.
Математичні формули
Стан газових мас характеризується температурою, об’ємом і тиском. За допомогою рівняння формується взаємозв’язок між показниками. Формула використовується в задачах з фізики з метою вивчення внутрішнього теплового процесу. Головні параметри рівняння молекулярно-кінетичної теорії газових речовин:
- р – тиск, вимірюється в паскалях, позначається Па;
- m – маса (кг);
- n – концентрація молекул на певній ділянці.
На уроках фізики і на практиці застосовується кілька формул для аналізу стану газу. За умови теплової рівноваги використовується рівняння Клайперона-Менделєєва. Його складовими показниками є:
- p – тиск;
- V – об’єм;
- t – температура;
- m – маса;
- m – молярна маса, яка вимірюється в кг / моль;
- R – вважається універсальною постійною;
- k – постійна Больцмана;
- Na – постійна Авогадро.
Значення двох останніх показників зазначено в спеціальних таблицях молекулярної фізики. Якщо в задачі описаний перехід газових речовин з одного стану в інший, використовується рівняння Клайперона. Для певної маси газу добуток VP, поділений на абсолютну температуру, є постійною. величиною. Окремо обчислюються параметри в момент 1 і 2.
Додаткові вирази, які використовуються для розрахунку енергії, ступеня ентропії (невпорядкованість) і впорядкованості, концентрації та інших показників в молекулярно-кінетичної теорії (МКТ):
- Скорочена формула стану газу в ідеальному вигляді. Для запису застосовується постійна Больцмана (k), концентрація молекул (n), температура газу (t).
- Формула густини речовин. Її можна отримати з головного рівняння.
- Закон Дальтона: тиск газів з суміші дорівнює сумі парціальних тисків всіх газових компонентів.
- Парціальне P. використовується для розкладу стану всіх компонентів суміші і визначення тиску однієї речовини, якби воно займало посудину на 100%.
Додаткові процеси
На практичних заняттях з фізики проводяться досліди з адіабатним або адіабатичним процесом (ізоентропійним), пов’язаним з термодинамікою. У явищі немає теплообміну з зовнішнім середовищем. Щоб спостерігати за загальним випадком всіх вищеописаних процесів, використовується газ постійної теплоємності. Явище називається політропічним.
Якщо тиск і температура складових компонентів однаковий, при цьому вони взяті в рівних об’ємах, тоді в використовуваних ідеальних газах міститься одне число молекул. На частку одного моля різних речовин припадає NA =6,02 · 1023 молекул. Це вважається числом Авогадро.
За законом Дальтона, тиск суміші дорівнює сумі парціальних P, що входять до складу. Вираз записується наступним чином:
P cm=P1+P2+… Pn
Останній показник Pn є тиском газу, який би займав весь об’єм посудини.
Найчастіше в старших класах фізики розглядаються ізохоричні процеси, коли ідеальний газ переходить з одного стану в інший, при цьому не змінюється його об’єм. Явище вперше розглянув француз Жак Шарль. Закон записується наступним чином:
PV=vRT
Оскільки v= const і V=const, то для будь-яких різних станів речовин використовується рівність:
P1/T1 = P2/T2 = … Pn/Tn
Закон Шарля математично записується так:
P/T = const
З формули випливає, що між температурою і тиском спостерігається прямо пропорційний зв’язок. Якщо збільшується P, тоді підвищується T, і навпаки. Графік залежності даних величин називається ізохорою. На проміжку абсолютного нуля для кривих передбачена умовна залежність. Пряма доводиться до початку координат за допомогою пунктирних ліній.
Першими вчені відкрили ці явища, які вважаються не частими випадками рівняння стану. Пізніше фізики затвердили закон Клапейрона і Менделєєва.
Якщо слідувати хронології, спочатку вивчалися процеси, які протікали при постійній температурі, а потім при одному об’ємі. Останніми розглядалися ізобаричні процеси. Рідкісним і цікавим явищем вважається ізоентропія, коли змінюється термодинамічна система за умови постійної ентропії. Останнє записується як:
S = const
Прикладом подібного вважається адіабатичний оборотний процес. Щоб обчислити ідеальний газ, використовується рівняння:
pVγ = const
де
- γ – показник адіабати (визначається типом газу).
Для адіабатичного явища характерна відсутність теплоприйому і тепловіддачі. Фізики вважають такі процеси такими, що швидко протікають.
