Plynové skupenstvo hmoty okolo nás je jednou z troch bežných foriem hmoty. Vo fyzike sa tento tekutý stav agregácie zvyčajne považuje za aproximáciu ideálneho plynu. Pomocou tejto aproximácie popisujeme v článku možné izoprocesy v plynoch.
Ideálny plyn a univerzálna rovnica na jeho popis
Ideálny plyn je taký, ktorého častice nemajú rozmery a vzájomne neinteragujú. Je zrejmé, že neexistuje jediný plyn, ktorý by presne spĺňal tieto podmienky, pretože aj ten najmenší atóm - vodík, má určitú veľkosť. Navyše, dokonca aj medzi neutrálnymi atómami vzácneho plynu existuje slabá van der Waalsova interakcia. Potom vyvstáva otázka: v akých prípadoch možno zanedbať veľkosť častíc plynu a vzájomné pôsobenie medzi nimi? Odpoveďou na túto otázku bude dodržanie nasledujúcich fyzikálno-chemických podmienok:
- nízky tlak (asi 1 atmosféra a menej);
- vysoké teploty (okolo izbovej teploty a viac);
- chemická inertnosť molekúl a atómovplyn.
Ak nie je splnená aspoň jedna z podmienok, plyn by sa mal považovať za skutočný a opísaný špeciálnou van der Waalsovou rovnicou.
Pred štúdiom izoprocesov je potrebné zvážiť Mendelejevovu-Clapeyronovu rovnicu. Rovnica ideálneho plynu je jej druhým názvom. Má nasledujúci zápis:
PV=nRT
To znamená, že spája tri termodynamické parametre: tlak P, teplotu T a objem V, ako aj množstvo n látky. Symbol R tu označuje plynovú konštantu, ktorá sa rovná 8,314 J / (Kmol).
Čo sú izoprocesy v plynoch?
Tieto procesy sú chápané ako prechody medzi dvoma rôznymi stavmi plynu (počiatočný a konečný), v dôsledku ktorých sa niektoré množstvá zachovávajú a iné sa menia. V plynoch existujú tri typy izoprocesov:
- izotermické;
- izobarické;
- izochorické.
Je dôležité poznamenať, že všetky boli experimentálne študované a opísané v období od druhej polovice 17. storočia do 30. rokov 19. storočia. Na základe týchto experimentálnych výsledkov odvodil Émile Clapeyron v roku 1834 rovnicu, ktorá je univerzálna pre plyny. Tento článok je zostavený opačne – použitím stavovej rovnice získame vzorce pre izoprocesy v ideálnych plynoch.
Prechod pri konštantnej teplote
Nazýva sa to izotermický proces. Zo stavovej rovnice ideálneho plynu vyplýva, že pri konštantnej absolútnej teplote v uzavretom systéme musí produkt zostať konštantnýobjem k tlaku, t.j.:
PV=const
Tento vzťah skutočne spozorovali Robert Boyle a Edm Mariotte v druhej polovici 17. storočia, takže v súčasnosti zaznamenaná rovnosť nesie ich mená.
Funkčné závislosti P(V) alebo V(P), vyjadrené graficky, vyzerajú ako hyperboly. Čím vyššia je teplota, pri ktorej sa izotermický experiment vykonáva, tým väčší je súčin PV.
Pri izotermickom procese sa plyn rozpína alebo zmršťuje, pričom vykonáva prácu bez zmeny svojej vnútornej energie.
Prechod pri konštantnom tlaku
Teraz si preštudujme izobarický proces, počas ktorého sa tlak udržiava konštantný. Príkladom takéhoto prechodu je ohrev plynu pod piestom. V dôsledku zahrievania sa zvyšuje kinetická energia častíc, častejšie a s väčšou silou začnú narážať na piest, v dôsledku čoho sa plyn rozpína. V procese expanzie plyn vykonáva určitú prácu, ktorej účinnosť je 40% (pre monatomický plyn).
Pre tento izoproces stavová rovnica ideálneho plynu hovorí, že musí platiť nasledujúci vzťah:
V/T=const
Je ľahké ho získať, ak sa konštantný tlak prenesie na pravú stranu Clapeyronovej rovnice a teplota na ľavú stranu. Táto rovnosť sa nazýva Charlesov zákon.
Rovnosť znamená, že funkcie V(T) a T(V) vyzerajú na grafoch ako rovné čiary. Sklon priamky V(T) voči úsečke bude tým menší, čím bude väčší tlakP.
Prechod pri konštantnej hlasitosti
Posledným izoprocesom v plynoch, ktorému sa budeme v článku venovať, je izochorický prechod. Pomocou univerzálnej Clapeyronovej rovnice je ľahké získať pre tento prechod nasledujúcu rovnosť:
P/T=const
Izochorický prechod je opísaný zákonom Gay-Lussac. Je vidieť, že graficky funkcie P(T) a T(P) budú rovné čiary. Spomedzi všetkých troch izochorických procesov je izochorický najefektívnejší, ak je potrebné zvýšiť teplotu systému v dôsledku dodávky vonkajšieho tepla. Počas tohto procesu plyn nepracuje, to znamená, že všetko teplo bude smerované na zvýšenie vnútornej energie systému.
