El tema principal d'estudi de la termodinàmica dels sistemes de gas és el canvi d'estats termodinàmics. Com a resultat d'aquests canvis, el gas pot fer feina i emmagatzemar energia interna. Estudiem a l'article següent les diferents transicions termodinàmiques en un gas ideal. Es prestarà especial atenció a l'estudi de la gràfica del procés isotèrmic.
Gasos ideals
A jutjar pel mateix nom, podem dir que els gasos 100% ideals no existeixen a la natura. Tanmateix, moltes substàncies reals satisfan aquest concepte amb precisió pràctica.
Un gas ideal és qualsevol gas en el qual es poden descuidar les interaccions entre les seves partícules i les seves mides. Ambdues condicions només es compleixen si l'energia cinètica de les molècules serà molt més gran que l'energia potencial dels enllaços entre elles, i les distàncies entre les molècules seran molt més grans que la mida de la partícula.
Per determinar quin ésSi el gas que s'estudia és l'ideal, podeu fer servir una simple regla general: si la temperatura del sistema està per sobre de la temperatura ambient, la pressió no és gaire diferent de la pressió atmosfèrica o inferior, i les molècules que formen el sistema. són químicament inerts, aleshores el gas serà ideal.
Llei principal
Estem parlant de l'equació dels gasos ideals, que també s'anomena llei de Clapeyron-Mendeleev. Aquesta equació va ser escrita als anys 30 del segle XIX per l'enginyer i físic francès Emile Clapeyron. Unes dècades més tard, el químic rus Mendeleiev el va portar a la seva forma moderna. Aquesta equació té aquest aspecte:
PV=nRT.
Al costat esquerre de l'equació hi ha el producte de la pressió P i el volum V, al costat dret de l'equació hi ha el producte de la temperatura T i la quantitat de substància n. R és la constant universal dels gasos. Tingueu en compte que T és la temperatura absoluta, que es mesura en Kelvins.
La llei de Clapeyron-Mendeleev es va obtenir per primera vegada a partir dels resultats de les lleis de gas anteriors, és a dir, es basava únicament en la base experimental. Amb el desenvolupament de la física moderna i la teoria cinètica dels fluids, l'equació del gas ideal es pot derivar considerant el comportament microscòpic de les partícules del sistema.
Procés isotèrmic
Independentment de si aquest procés es produeix en gasos, líquids o sòlids, té una definició molt clara. Una transició isotèrmica és una transició entre dos estats en què la temperatura del sistemaconservat, és a dir, roman in alterat. Per tant, el gràfic del procés isotèrmic en els eixos temps (eix x) - temperatura (eix y) serà una línia horitzontal.
Pel que fa a un gas ideal, observem que la transició isotèrmica d'aquest s'anomena llei de Boyle-Mariotte. Aquesta llei es va descobrir experimentalment. A més, esdevingué el primer d'aquesta zona (segona meitat del segle XVII). Pot obtenir-ho tot estudiant si considera el comportament del gas en un sistema tancat (n=const) a temperatura constant (T=const). Utilitzant l'equació d'estat, obtenim:
nRT=const=>
PV=const.
L'última igu altat és la llei de Boyle-Mariotte. Als llibres de text de física, també podeu trobar aquesta forma d'escriure-la:
P1 V1=P2 V 2.
Durant la transició de l'estat isotèrmic 1 a l'estat termodinàmic 2, el producte del volum i la pressió es manté constant per a un sistema de gas tancat.
La llei estudiada parla de proporcionalitat inversa entre els valors de P i V:
P=const / V.
Això significa que la gràfica del procés isotèrmic en un gas ideal serà una corba d'hipèrbola. A la figura següent es mostren tres hipèrboles.
Cadascun d'ells s'anomena isoterma. Com més alta sigui la temperatura del sistema, més lluny estarà la isoterma dels eixos de coordenades. A partir de la figura anterior, podem concloure que el verd correspon a la temperatura més alta del sistema, i el blau a la més baixa, sempre que la quantitat de substància en els tressistemes és el mateix. Si totes les isotermes de la figura es construeixen per a la mateixa temperatura, això vol dir que la corba verda correspon al sistema més gran quant a la quantitat de substància.
Canvi en l'energia interna durant un procés isotèrmic
En la física dels gasos ideals, l'energia interna s'entén com l'energia cinètica associada al moviment de rotació i translació de les molècules. A partir de la teoria cinètica és fàcil obtenir la següent fórmula per a l'energia interna U:
U=z / 2nRT.
On z és el nombre de graus de lliure moviment de les molècules. Oscil·la entre 3 (gas monatòmic) i 6 (molècules poliatòmiques).
En el cas d'un procés isotèrmic, la temperatura es manté constant, la qual cosa significa que l'únic motiu del canvi d'energia interna és la sortida o l'arribada de partícules de matèria al sistema. Així, en sistemes tancats, durant un canvi isotèrmic del seu estat, es conserva l'energia interna.
Processos isobàrics i isocòrics
A més de la llei de Boyle-Mariotte, hi ha dues lleis més bàsiques dels gasos que també es van descobrir experimentalment. Porten els noms dels francesos Charles i Gay-Lussac. Matemàticament, s'escriuen així:
V / T=constant quan P=constant;
P / T=const quan V=const.
La llei de Charles diu que durant un procés isobàric (P=const) el volum depèn linealment de la temperatura absoluta. La llei de Gay-Lussac indica una relació lineal entre la pressió i la temperatura absoluta a isocòrictransició (V=const).
De les igu altats donades es dedueix que els gràfics de transicions isòbàriques i isocòriques difereixen significativament del procés isotèrmic. Si la isoterma té la forma d'una hipèrbola, aleshores la isòbara i l'isòcore són rectes.
Procés isobàric-isotèrmic
Quan es consideren les lleis dels gasos, de vegades s'oblida que, a més dels valors de T, P i V, el valor de n a la llei de Clapeyron-Mendeleev també pot canviar. Si fixem la pressió i la temperatura, obtenim l'equació de la transició isobàrica-isotèrmica:
n / V=const quan T=const, P=const.
La relació lineal entre la quantitat de substància i el volum suggereix que en les mateixes condicions, diferents gasos que contenen la mateixa quantitat de substància ocupen volums iguals. Per exemple, en condicions normals (0 oC, 1 atmosfera), el volum molar de qualsevol gas és de 22,4 litres. La llei considerada s'anomena principi d'Avogadro. Subjau a la llei de D alton de les mescles de gasos ideals.
