L'estat gasós de la matèria que ens envolta és una de les tres formes habituals de la matèria. En física, aquest estat d'agregació fluida es considera generalment en l'aproximació d'un gas ideal. Utilitzant aquesta aproximació, descrivim a l'article possibles isoprocessos en gasos.
El gas ideal i l'equació universal per descriure'l
Un gas ideal és aquell les partícules del qual no tenen dimensions i no interactuen entre elles. Òbviament, no hi ha un sol gas que compleixi exactament aquestes condicions, ja que fins i tot l'àtom més petit, l'hidrogen, té una mida determinada. A més, fins i tot entre àtoms de gas noble neutres, hi ha una interacció feble de van der Waals. Aleshores sorgeix la pregunta: en quins casos es pot descuidar la mida de les partícules de gas i la interacció entre elles? La resposta a aquesta pregunta serà l'observació de les condicions fisicoquímiques següents:
- baixa pressió (aproximadament 1 atmosfera o menys);
- temperatures altes (al voltant de la temperatura ambient i més);
- inercia química de les molècules i els àtomsgas.
Si no es compleix almenys una de les condicions, el gas s'ha de considerar real i descrit mitjançant una equació especial de Van der Waals.
L'equació de Mendeleiev-Clapeyron s'ha de considerar abans d'estudiar els isoprocessos. L'equació dels gasos ideals és el seu segon nom. Té la notació següent:
PV=nRT
És a dir, enllaça tres paràmetres termodinàmics: pressió P, temperatura T i volum V, així com la quantitat n de la substància. El símbol R aquí denota la constant del gas, és igual a 8,314 J / (Kmol).
Què són els isoprocessos dels gasos?
Aquests processos s'entenen com les transicions entre dos estats diferents del gas (inicial i final), com a conseqüència de les quals es conserven unes quantitats i d' altres canvien. Hi ha tres tipus d'isoprocés en gasos:
- isotèrmica;
- isobàric;
- isocòric.
És important tenir en compte que tots ells van ser estudiats i descrits experimentalment en el període des de la segona meitat del segle XVII fins als anys 30 del segle XIX. A partir d'aquests resultats experimentals, Émile Clapeyron va derivar l'any 1834 una equació que és universal per als gasos. Aquest article està construït al revés: aplicant l'equació d'estat, obtenim fórmules per als isoprocessos en gasos ideals.
Transició a temperatura constant
S'anomena procés isotèrmic. De l'equació d'estat d'un gas ideal es dedueix que a una temperatura absoluta constant en un sistema tancat, el producte ha de romandre constant.volum a pressió, és a dir:
PV=const
Aquesta relació la van observar Robert Boyle i Edm Mariotte a la segona meitat del segle XVII, de manera que la igu altat registrada actualment porta els seus noms.
Les dependències funcionals P(V) o V(P), expressades gràficament, semblen hipèrboles. Com més alta sigui la temperatura a la qual es duu a terme l'experiment isotèrmic, més gran serà el producte PV.
En un procés isotèrmic, un gas s'expandeix o es contrau, fent feina sense canviar la seva energia interna.
Transició a pressió constant
Ara estudiem el procés isobàric, durant el qual la pressió es manté constant. Un exemple d'aquesta transició és l'escalfament del gas sota el pistó. Com a resultat de l'escalfament, l'energia cinètica de les partícules augmenta, comencen a colpejar el pistó amb més freqüència i amb més força, com a resultat de la qual cosa el gas s'expandeix. En el procés d'expansió, el gas realitza una mica de treball, l'eficiència del qual és del 40% (per a un gas monoatòmic).
Per a aquest isoprocés, l'equació d'estat d'un gas ideal diu que s'ha de complir la relació següent:
V/T=const
És fàcil d'aconseguir si la pressió constant es transfereix al costat dret de l'equació de Clapeyron i la temperatura a l'esquerra. Aquesta igu altat s'anomena llei de Charles.
La igu altat indica que les funcions V(T) i T(V) semblen rectes als gràfics. El pendent de la recta V(T) respecte a l'abscissa serà com més petit, més pressió seràP.
Transició a volum constant
L'últim isoprocés en gasos, que considerarem a l'article, és la transició isocòrica. Utilitzant l'equació universal de Clapeyron, és fàcil obtenir la següent igu altat per a aquesta transició:
P/T=const
La transició isocòrica es descriu per la llei Gay-Lussac. Es pot veure que gràficament les funcions P(T) i T(P) seran rectes. Entre els tres processos isocòrics, l'isocòric és el més eficient si cal augmentar la temperatura del sistema a causa del subministrament de calor extern. Durant aquest procés, el gas no funciona, és a dir, tota la calor es dirigirà per augmentar l'energia interna del sistema.
