Els gasos, des del punt de vista de la termodinàmica, es descriuen mitjançant un conjunt de característiques macroscòpiques, les principals de les quals són la temperatura, la pressió i el volum. La constància d'un d'aquests paràmetres i el canvi en els altres dos indica que es produeix un o altre isoprocés en el gas. Dedicarem aquest article a una resposta detallada a les preguntes que es tracta d'un procés isocòric, com es diferencia dels canvis isotèrmics i isobàrics en els estats d'un sistema de gas.
Gas ideal en física
Abans de respondre a la pregunta que es tracta d'un procés isocòric, hauríeu de conèixer millor el concepte de gas ideal. En física, s'entén com qualsevol gas en què l'energia cinètica mitjana de les seves partícules constituents supera amb escreix l'energia potencial de la seva interacció, i les distàncies entre aquestes partícules són diversos ordres de magnitud més grans que les seves dimensions lineals. En les condicions esmentades, és possible, en dur a termeels càlculs no tenen en compte l'energia d'interacció entre partícules (és igual a zero), i també es pot suposar que les partícules són punts materials amb una massa determinada m.
L'únic procés que té lloc en un gas ideal és el xoc de partícules amb les parets del recipient que conté la substància. Aquestes col·lisions es manifesten a la pràctica com l'existència d'una determinada pressió en el gas P.
Per regla general, qualsevol substància gasosa que consta de molècules relativament inerts químicament i que tingui baixa pressió i altes temperatures es pot considerar un gas ideal amb prou precisió per a càlculs pràctics.
Equació que descriu un gas ideal
Per descomptat, estem parlant de la llei universal de Clapeyron-Mendeleev, que s'ha d'entendre bé per entendre que es tracta d'un procés isocòric. Per tant, l'equació d'estat universal té la forma següent:
PV=nRT.
És a dir, el producte de la pressió P i el volum del gas V és igual al producte de la temperatura absoluta T i la quantitat de substància en mols n, on R és el factor de proporcionalitat. L'equació en si mateixa va ser escrita per primera vegada per Emile Clapeyron el 1834, i als anys 70 del segle XIX, D. Mendeleiev hi va substituir un conjunt de valors constants d'una única constant de gas universal R (8,314 J/(molK).)).
D'acord amb l'equació de Clapeyron-Mendeleev, en un sistema tancat el nombre de partícules de gas es manté constant, de manera que només hi ha tres paràmetres macroscòpics que poden canviar (T, Pi V). Aquest darrer fet és la base de la comprensió dels diferents isoprocessos que es comentaran a continuació.
Què és un procés isocòric?
Aquest procés s'entén absolutament com qualsevol canvi en l'estat del sistema, en el qual es conserva el seu volum.
Si passem a l'equació d'estat universal, podem dir que en un procés isocòric només canvia la pressió i la temperatura absoluta en un gas. Per entendre exactament com canvien els paràmetres termodinàmics, escrivim l'expressió matemàtica corresponent:
P / T=const.
De vegades aquesta igu altat es dóna d'una forma lleugerament diferent:
P1 / T1=P2 / T 2.
Ambdues igu altats s'anomenen llei de Charles pel nom d'un científic francès que a finals del segle XVIII va obtenir experimentalment la notada dependència.
Si construïm un gràfic de la funció P(T), aleshores obtenim una dependència en línia recta, que s'anomena isòcor. Qualsevol isòcore (per a tots els valors de n i V) és una línia recta.
Descripció energètica del procés
Com s'ha assenyalat, un procés isocòric és un canvi en l'estat d'un sistema que té lloc en un sistema tancat però no aïllat. Estem parlant de la possibilitat d'intercanvi de calor entre el gas i el medi ambient. En general, qualsevol subministrament de calor Q al sistema dóna lloc a dos resultats:
- canvia l'energia interna U;
- gasfunciona A, s'expandeix o es contrau.
La darrera inferència s'escriu matemàticament de la següent manera:
Q=U + A.
El procés isocòric d'un gas ideal, per la seva definició, no implica treball realitzat pel gas, ja que el seu volum es manté in alterat. Això vol dir que tota la calor subministrada al sistema va a augmentar la seva energia interna:
Q=U.
Si substituïm la fórmula explícita de l'energia interna en aquesta expressió, aleshores la calor del procés isocòric es pot representar com:
Q=z / 2nRT.
Aquí z és el nombre de graus de llibertat, que ve determinat per la naturalesa poliatòmica de les molècules que formen el gas. Per a un gas monoatòmic, z=3, per a un gas diatòmic - 5, i per a un triatòmic i més - 6. Aquí, sota els graus de llibertat, ens referim als graus de translació i de rotació.
Si comparem l'eficiència de l'escalfament d'un sistema de gas en processos isocòrics i isobàrics, en el primer cas obtindrem la màxima eficiència, ja que durant el canvi isobàric en l'estat del sistema, el gas s'expandeix i part de l'entrada de calor es destina a la feina.
Procés isobàric
Més amunt hem descrit amb detall que es tracta d'un procés isocòric. Ara diguem algunes paraules sobre altres isoprocessos. Comencem amb l'isobàric. Segons el nom, s'entén com la transició del sistema entre estats a pressió constant. La llei Gay-Lussac descriu aquest procés de la següent manera:
V / T=const.
Com amb l'isòcore, la isòbara V(T) també representa una línia recta al gràfic.
Perde qualsevol procés isobàric, és convenient calcular el treball realitzat pel gas, ja que és igual al producte de la pressió constant i el canvi de volum.
Procés isotèrmic
Aquest és un procés en què la temperatura del sistema es manté constant. Es descriu per la llei de Boyle-Mariotte per a un gas ideal. És curiós observar que aquesta és la primera llei de gas descoberta experimentalment (segona meitat del segle XVII). La seva notació matemàtica és així:
PV=const.
Els processos isocòrics i isotèrmics difereixen pel que fa a la seva representació gràfica, ja que la funció P(V) és una relació hiperbòlica, no lineal.
Exemple de resolució de problemes
Consolidem la informació teòrica que ofereix l'article per la seva aplicació per resoldre un problema pràctic. Se sap que el nitrogen gasós pur es trobava en un cilindre a una pressió d'1 atmosfera i una temperatura de 25 °C. Després d'escalfar el cilindre de gas i mesurar-ne la pressió, va resultar que era d'1,5 atmosferes. Quina és la temperatura del gas al cilindre després de l'escalfament? En quina quantitat va canviar l'energia interna del gas si hi havia 4 mols de nitrogen al globus.
Per respondre a la primera pregunta, utilitzem l'expressió següent:
P1 / T1=P2 / T 2.
D'on obtenim:
T2=P2 / P1 T 1.
En aquesta expressió, la pressió es pot substituir per unitats arbitràriesmesures, ja que s'estan reduint i la temperatura només és en kelvins. Dit això, obtenim:
T2=1,5 /1298,15=447,224 K.
La temperatura calculada en graus Celsius és de 174 °C.
Com que la molècula de nitrogen és diatòmica, el canvi en la seva energia interna durant l'escalfament es pot determinar de la següent manera:
ΔU=5/2nRΔT.
Substituint els valors coneguts en aquesta expressió, obtindrem la resposta a la segona pregunta del problema: ΔU=+12,4 kJ.
