Ogni persona durante la sua vita incontra corpi che si trovano in uno dei tre stati aggregati della materia. Lo stato di aggregazione più semplice da studiare è il gas. Nell'articolo considereremo il concetto di gas ideale, forniremo l'equazione di stato del sistema e presteremo anche una certa attenzione alla descrizione della temperatura assoluta.
Stato gassoso
Ogni studente ha una buona idea di quale stato della materia sta parlando quando sente la parola "gas". Questa parola è intesa come un corpo capace di occupare qualsiasi volume le venga fornito. Non è in grado di mantenere la sua forma, perché non può resistere nemmeno alla minima influenza esterna. Inoltre, il gas non trattiene il volume, il che lo distingue non solo dai solidi, ma anche dai liquidi.
Come un liquido, un gas è una sostanza fluida. Nel processo di movimento dei corpi solidi nei gas, questi ultimi impediscono questo movimento. La forza risultante è chiamata resistenza. Il suo valore dipende davelocità del corpo nel gas.
Esempi forti di gas sono l'aria, il gas naturale utilizzato per riscaldare le case e cucinare, i gas inerti (Ne, Ar) utilizzati per riempire i tubi luminosi pubblicitari o utilizzati per creare un ambiente inerte (non aggressivo, protettivo) durante la saldatura.
Gas ideale
Prima di procedere alla descrizione delle leggi dei gas e dell'equazione di stato, dovresti capire bene la domanda su cosa sia un gas ideale. Questo concetto è introdotto nella teoria cinetica molecolare (MKT). Un gas ideale è qualsiasi gas che soddisfi le seguenti caratteristiche:
- Le particelle che lo formano non interagiscono tra loro tranne che per collisioni meccaniche dirette.
- Per effetto della collisione di particelle con le pareti del vaso o tra di loro, la loro energia cinetica e la loro quantità di moto si conservano, cioè l'urto è considerato assolutamente elastico.
- Le particelle non hanno dimensioni, ma hanno una massa finita, cioè sono simili a punti materiali.
È naturale che qualsiasi gas non sia l'ideale, ma reale. Tuttavia, per risolvere molti problemi pratici, queste approssimazioni sono abbastanza valide e possono essere utilizzate. C'è una regola empirica generale che dice: indipendentemente dalla natura chimica, se un gas ha una temperatura superiore a quella ambiente e una pressione dell'ordine di quella atmosferica o inferiore, allora può essere considerato ideale con elevata precisione e può essere usato per descrivere esso.formula dell'equazione di stato del gas ideale.
Legge Clapeyron-Mendeleev
Le transizioni tra diversi stati aggregati della materia e processi all'interno di un singolo stato aggregato sono gestite dalla termodinamica. Pressione, temperatura e volume sono tre grandezze che definiscono in modo univoco qualsiasi stato di un sistema termodinamico. La formula per l'equazione di stato di un gas ideale combina tutte e tre queste quantità in un'unica uguaglianza. Scriviamo questa formula:
PV=nRT
Qui P, V, T - rispettivamente pressione, volume, temperatura. Il valore di n è la quantità di sostanza in moli e il simbolo R indica la costante universale dei gas. Questa uguaglianza mostra che maggiore è il prodotto di pressione e volume, maggiore deve essere il prodotto della quantità di sostanza e temperatura.
La formula per l'equazione di stato di un gas è chiamata legge di Clapeyron-Mendeleev. Nel 1834, lo scienziato francese Emile Clapeyron, riassumendo i risultati sperimentali dei suoi predecessori, giunse a questa equazione. Tuttavia, Clapeyron ha utilizzato una serie di costanti, che Mendeleev in seguito ha sostituito con una: la costante del gas universale R (8, 314 J / (molK)). Pertanto, nella fisica moderna, questa equazione prende il nome dai nomi di scienziati francesi e russi.
Altre forme di equazioni
Sopra, abbiamo scritto l'equazione di stato di Mendeleev-Clapeyron per un gas ideale nel modo generalmente accettato eforma conveniente. Tuttavia, nei problemi di termodinamica, può essere spesso richiesta una forma leggermente diversa. Di seguito sono scritte altre tre formule, che seguono direttamente dall'equazione scritta:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Queste tre equazioni sono anche universali per un gas ideale, solo in esse compaiono quantità come massa m, massa molare M, densità ρ e il numero di particelle N che compongono il sistema. Il simbolo kB qui denota la costante di Boltzmann (1, 3810-23J/K).
Legge Boyle-Mariotte
Quando Clapeyron elaborò la sua equazione, si basava sulle leggi dei gas che erano state scoperte sperimentalmente diversi decenni prima. Uno di questi è la legge Boyle-Mariotte. Riflette un processo isotermico in un sistema chiuso, a seguito del quale parametri macroscopici come pressione e volume cambiano. Se mettiamo T e n costanti nell'equazione di stato per un gas ideale, allora la legge del gas assumerà la forma:
P1V1=P2V 2
Questa è la legge di Boyle-Mariotte, che dice che il prodotto di pressione e volume viene preservato durante un processo isotermico arbitrario. In questo caso cambiano gli stessi valori P e V.
Se tracciate P(V) o V(P), le isoterme saranno iperboli.
Leggi di Charles e Gay-Lussac
Queste leggi descrivono matematicamente isobarico e isocoroprocessi, cioè tali transizioni tra gli stati del sistema gassoso, in cui vengono preservati rispettivamente la pressione e il volume. La legge di Carlo può essere scritta matematicamente come segue:
V/T=cost quando n, P=cost.
La legge di Gay-Lussac è scritta come segue:
P/T=cost quando n, V=cost.
Se entrambe le uguaglianze sono presentate sotto forma di grafico, otterremo linee rette inclinate di un certo angolo rispetto all'asse x. Questo tipo di grafico indica una proporzionalità diretta tra volume e temperatura a pressione costante e tra pressione e temperatura a volume costante.
Nota che tutte e tre le leggi sui gas considerate non tengono conto della composizione chimica del gas, così come del cambiamento nella sua quantità di materia.
Temperatura assoluta
Nella vita di tutti i giorni, siamo abituati a utilizzare la scala di temperatura Celsius, poiché è conveniente per descrivere i processi che ci circondano. Quindi, l'acqua bolle a 100 oC e si congela a 0 oC. In fisica, questa scala risulta essere scomoda, quindi viene utilizzata la cosiddetta scala della temperatura assoluta, introdotta da Lord Kelvin a metà del 19° secolo. Secondo questa scala, la temperatura è misurata in Kelvin (K).
Si ritiene che ad una temperatura di -273, 15 oC non ci siano vibrazioni termiche di atomi e molecole, il loro movimento in avanti si interrompe completamente. Questa temperatura in gradi Celsius corrisponde allo zero assoluto in Kelvin (0 K). Da questa definizionesegue il significato fisico di temperatura assoluta: è una misura dell'energia cinetica delle particelle che compongono la materia, ad esempio atomi o molecole.
Oltre al significato fisico di temperatura assoluta di cui sopra, ci sono altri approcci per comprendere questa quantità. Uno di questi è la citata legge del gas di Charles. Scriviamolo nella seguente forma:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
L'ultima uguaglianza dice che a una certa quantità di sostanza nel sistema (ad esempio, 1 mol) e una certa pressione (ad esempio, 1 Pa), il volume del gas determina in modo univoco la temperatura assoluta. In altre parole, un aumento del volume del gas in queste condizioni è possibile solo a causa di un aumento della temperatura e una diminuzione del volume indica una diminuzione del valore di T.
Ricorda che, a differenza della temperatura Celsius, la temperatura assoluta non può essere negativa.
Principio Avogadro e miscele di gas
Oltre alle leggi dei gas di cui sopra, l'equazione di stato per un gas ideale porta anche al principio scoperto da Amedeo Avogadro all'inizio del XIX secolo, che porta il suo cognome. Questo principio stabilisce che il volume di qualsiasi gas a pressione e temperatura costanti è determinato dalla quantità di sostanza nel sistema. La formula corrispondente si presenta così:
n/V=cost quando P, T=cost.
L'espressione scritta porta alla ben nota legge di D alton per le miscele di gas nella fisica dei gas ideali. Questola legge afferma che la pressione parziale di un gas in una miscela è determinata unicamente dalla sua frazione atomica.
Esempio di risoluzione dei problemi
In un recipiente chiuso con pareti rigide contenente un gas ideale, a causa del riscaldamento, la pressione è aumentata di 3 volte. È necessario determinare la temperatura finale del sistema se il suo valore iniziale era 25 oC.
Per prima cosa, convertiamo la temperatura da gradi Celsius a Kelvin, abbiamo:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Poiché le pareti del vaso sono rigide, il processo di riscaldamento può essere considerato isocoro. In questo caso, applichiamo la legge Gay-Lussac, abbiamo:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Così, la temperatura finale è determinata dal prodotto del rapporto di pressione e la temperatura iniziale. Sostituendo i dati in uguaglianza, otteniamo la risposta: T2=894,45 K. Questa temperatura corrisponde a 621,3 oC.
