Hlavným predmetom štúdia termodynamiky plynových sústav je zmena termodynamických stavov. V dôsledku takýchto zmien môže plyn vykonávať prácu a uchovávať vnútornú energiu. Pozrime sa v nižšie uvedenom článku na rôzne termodynamické prechody v ideálnom plyne. Osobitná pozornosť sa bude venovať štúdiu grafu izotermického procesu.
Ideálne plyny
Už podľa samotného názvu môžeme povedať, že 100% ideálne plyny v prírode neexistujú. Mnoho skutočných látok však spĺňa tento koncept s praktickou presnosťou.
Ideálny plyn je každý plyn, v ktorom je možné zanedbať interakcie medzi jeho časticami a ich veľkosťou. Obe podmienky sú splnené iba vtedy, ak kinetická energia molekúl bude oveľa väčšia ako potenciálna energia väzieb medzi nimi a vzdialenosti medzi molekulami budú oveľa väčšie ako veľkosť častíc.
Na určenie, ktorá jeAk je skúmaný plyn ideálny, môžete použiť jednoduché pravidlo: ak je teplota v systéme vyššia ako izbová teplota, tlak sa veľmi nelíši od atmosférického tlaku alebo je nižší ako ten, a molekuly, ktoré tvoria systém sú chemicky inertné, potom bude plyn ideálny.
Hlavný zákon
Hovoríme o rovnici ideálneho plynu, ktorá sa nazýva aj Clapeyronov-Mendelejevov zákon. Túto rovnicu napísal v 30. rokoch 19. storočia francúzsky inžinier a fyzik Emile Clapeyron. O niekoľko desaťročí neskôr ju do modernej podoby priviedol ruský chemik Mendelejev. Táto rovnica vyzerá takto:
PV=nRT.
Na ľavej strane rovnice je súčin tlaku P a objemu V, na pravej strane rovnice je súčin teploty T a látkového množstva n. R je univerzálna plynová konštanta. Všimnite si, že T je absolútna teplota, ktorá sa meria v Kelvinoch.
Clapeyronov-Mendelejevov zákon bol prvýkrát získaný z výsledkov predchádzajúcich plynových zákonov, to znamená, že bol založený výlučne na experimentálnom základe. S rozvojom modernej fyziky a kinetickej teórie tekutín možno rovnicu ideálneho plynu odvodiť z mikroskopického správania častíc systému.
Izotermický proces
Bez ohľadu na to, či sa tento proces vyskytuje v plynoch, kvapalinách alebo pevných látkach, má veľmi jasnú definíciu. Izotermický prechod je prechod medzi dvoma stavmi, v ktorých je teplota systémuzachovaná, to znamená, že zostáva nezmenená. Preto bude grafom izotermického procesu v osiach čas (os x) - teplota (os y) vodorovná čiara.
Pokiaľ ide o ideálny plyn, poznamenávame, že jeho izotermický prechod sa nazýva Boyleov-Mariottov zákon. Tento zákon bol objavený experimentálne. Navyše sa stal prvým v tejto oblasti (druhá polovica 17. storočia). Môže ju získať každý žiak, ak uvažuje o správaní sa plynu v uzavretom systéme (n=konštantná) pri konštantnej teplote (T=konštantná). Pomocou stavovej rovnice dostaneme:
nRT=const=>
PV=konšt.
Poslednou rovnosťou je Boyleov-Mariottov zákon. V učebniciach fyziky nájdete aj túto formu jej zápisu:
P1 V1=P2 V 2.
Počas prechodu z izotermického stavu 1 do termodynamického stavu 2 zostáva súčin objemu a tlaku konštantný pre uzavretý plynový systém.
Študovaný zákon hovorí o nepriamej úmernosti medzi hodnotami P a V:
P=const / V.
To znamená, že grafom izotermického procesu v ideálnom plyne bude krivka hyperboly. Na obrázku nižšie sú zobrazené tri hyperboly.
Každá z nich sa nazýva izoterma. Čím vyššia je teplota v systéme, tým ďalej od súradnicových osí bude izoterma. Z vyššie uvedeného obrázku môžeme vyvodiť záver, že zelená zodpovedá najvyššej teplote v systéme a modrá najnižšej za predpokladu, že množstvo látky vo všetkých trochsystémy sú rovnaké. Ak sú všetky izotermy na obrázku zostavené pre rovnakú teplotu, potom to znamená, že zelená krivka zodpovedá najväčšiemu systému z hľadiska množstva látky.
Zmena vnútornej energie počas izotermického procesu
Vo fyzike ideálnych plynov sa vnútorná energia chápe ako kinetická energia spojená s rotačným a translačným pohybom molekúl. Z kinetickej teórie je ľahké získať nasledujúci vzorec pre vnútornú energiu U:
U=z / 2nRT.
Kde z je počet stupňov voľného pohybu molekúl. Pohybuje sa od 3 (monatomický plyn) do 6 (polyatómové molekuly).
V prípade izotermického procesu zostáva teplota konštantná, čo znamená, že jediným dôvodom zmeny vnútornej energie je výstup alebo príchod častíc hmoty do systému. V uzavretých systémoch sa teda pri izotermickej zmene ich stavu šetrí vnútorná energia.
Izobarické a izochorické procesy
Okrem Boyleovho-Mariotteho zákona existujú ešte dva základné plynové zákony, ktoré boli tiež objavené experimentálne. Nesú mená Francúzov Charles a Gay-Lussac. Matematicky sú napísané takto:
V / T=const, keď P=const;
P / T=konšt., keď V=konšt.
Karlesov zákon hovorí, že počas izobarického procesu (P=const) závisí objem lineárne od absolútnej teploty. Gay-Lussacov zákon naznačuje lineárny vzťah medzi tlakom a absolútnou teplotou pri izochorickejprechod (V=const).
Z uvedených rovníc vyplýva, že grafy izobarických a izochorických prechodov sa výrazne líšia od izotermického procesu. Ak má izoterma tvar hyperboly, potom izobara a izochóra sú rovné čiary.
Izobaricko-izotermický proces
Pri úvahách o plynových zákonoch sa niekedy zabúda, že okrem hodnôt T, P a V sa môže zmeniť aj hodnota n v Clapeyron-Mendeleevovom zákone. Ak zafixujeme tlak a teplotu, dostaneme rovnicu izobaricko-izotermického prechodu:
n / V=konšt., keď T=konštantná, P=konštantná.
Lineárny vzťah medzi množstvom látky a objemom naznačuje, že za rovnakých podmienok rôzne plyny obsahujúce rovnaké množstvo látky zaberajú rovnaký objem. Napríklad za normálnych podmienok (0 oC, 1 atmosféra) je molárny objem akéhokoľvek plynu 22,4 litra. Uvažovaný zákon sa nazýva Avogadrov princíp. Je základom D altonovho zákona ideálnych zmesí plynov.
