L'argomento principale dello studio della termodinamica dei sistemi gassosi è il cambiamento degli stati termodinamici. Come risultato di tali cambiamenti, il gas può funzionare e immagazzinare energia interna. Studiamo nell'articolo sotto diverse transizioni termodinamiche in un gas ideale. Particolare attenzione sarà dedicata allo studio del grafico del processo isotermico.
Gas ideali
A giudicare dal nome stesso, possiamo dire che in natura non esistono gas ideali al 100%. Tuttavia, molte sostanze reali soddisfano questo concetto con accuratezza pratica.
Un gas ideale è qualsiasi gas in cui le interazioni tra le sue particelle e le loro dimensioni possono essere trascurate. Entrambe le condizioni sono soddisfatte solo se l'energia cinetica delle molecole sarà molto maggiore dell'energia potenziale dei legami tra di esse e le distanze tra le molecole saranno molto maggiori della dimensione delle particelle.
Per determinare quale siaSe il gas in esame è ideale, puoi usare una semplice regola empirica: se la temperatura nel sistema è superiore a quella ambiente, la pressione non è molto diversa dalla pressione atmosferica o inferiore ad essa, e le molecole che compongono il sistema sono chimicamente inerti, allora il gas sarà l'ideale.
Legge principale
Stiamo parlando dell'equazione del gas ideale, che è anche chiamata legge di Clapeyron-Mendeleev. Questa equazione è stata scritta negli anni '30 del XIX secolo dall'ingegnere e fisico francese Emile Clapeyron. Pochi decenni dopo, il chimico russo Mendeleev lo portò alla sua forma moderna. Questa equazione si presenta così:
PV=nRT.
Sul lato sinistro dell'equazione c'è il prodotto della pressione P e del volume V, sul lato destro dell'equazione c'è il prodotto della temperatura T e della quantità di sostanza n. R è la costante universale del gas. Si noti che T è la temperatura assoluta, misurata in Kelvin.
La legge di Clapeyron-Mendeleev è stata ottenuta per la prima volta dai risultati di precedenti leggi sui gas, cioè si basava esclusivamente sulla base sperimentale. Con lo sviluppo della fisica moderna e della teoria cinetica dei fluidi, l'equazione del gas ideale può essere derivata considerando il comportamento microscopico delle particelle del sistema.
Processo isotermico
Indipendentemente dal fatto che questo processo avvenga in gas, liquidi o solidi, ha una definizione molto chiara. Una transizione isotermica è una transizione tra due stati in cui la temperatura del sistemaconservato, cioè rimane invariato. Pertanto, il grafico del processo isotermico negli assi del tempo (asse x) - temperatura (asse y) sarà una linea orizzontale.
Per quanto riguarda un gas ideale, notiamo che la sua transizione isotermica è chiamata legge di Boyle-Mariotte. Questa legge è stata scoperta sperimentalmente. Divenne inoltre il primo in questa zona (seconda metà del XVII secolo). Può essere ottenuto da ogni studente se considera il comportamento del gas in un sistema chiuso (n=const) a temperatura costante (T=const). Usando l'equazione di stato, otteniamo:
nRT=cost=>
PV=cost.
L'ultima uguaglianza è la legge di Boyle-Mariotte. Nei libri di testo di fisica, puoi anche trovare questa forma di scrittura:
P1 V1=P2 V 2.
Durante la transizione dallo stato isotermico 1 allo stato termodinamico 2, il prodotto di volume e pressione rimane costante per un sistema a gas chiuso.
La legge studiata parla di proporzionalità inversa tra i valori di P e V:
P=const / V.
Ciò significa che il grafico del processo isotermico in un gas ideale sarà una curva di iperbole. Nella figura seguente sono mostrate tre iperboli.
Ognuno di essi è chiamato isoterma. Maggiore è la temperatura nel sistema, più lontana sarà l'isoterma dagli assi delle coordinate. Dalla figura sopra, possiamo concludere che il verde corrisponde alla temperatura più alta del sistema e il blu alla più bassa, a condizione che la quantità di sostanza in tutti e tresistemi è lo stesso. Se tutte le isoterme nella figura sono costruite per la stessa temperatura, significa che la curva verde corrisponde al sistema più grande in termini di quantità di sostanza.
Cambiamento dell'energia interna durante un processo isotermico
Nella fisica dei gas ideali, l'energia interna è intesa come energia cinetica associata al movimento rotatorio e traslatorio delle molecole. Dalla teoria cinetica è facile ottenere la seguente formula per l'energia interna U:
U=z / 2nRT.
Dove z è il numero di gradi di movimento libero delle molecole. Si va da 3 (gas monoatomico) a 6 (molecole poliatomiche).
Nel caso di un processo isotermico, la temperatura rimane costante, il che significa che l'unico motivo per il cambiamento di energia interna è l'uscita o l'arrivo di particelle di materia nel sistema. Pertanto, nei sistemi chiusi, durante un cambiamento isotermico del loro stato, l'energia interna viene conservata.
Processi isobarici e isocori
Oltre alla legge di Boyle-Mariotte, ci sono altre due leggi fondamentali sui gas che sono state scoperte sperimentalmente. Portano i nomi dei francesi Charles e Gay-Lussac. Matematicamente, sono scritti così:
V / T=cost quando P=cost;
P / T=cost quando V=cost.
La legge di Charles dice che durante un processo isobarico (P=const) il volume dipende linearmente dalla temperatura assoluta. La legge di Gay-Lussac indica una relazione lineare tra pressione e temperatura assoluta a isocoratransizione (V=cost).
Dalle uguaglianze date ne consegue che i grafici delle transizioni isobariche e isocora differiscono significativamente dal processo isotermico. Se l'isoterma ha la forma di un'iperbole, allora l'isobara e l'isocore sono linee rette.
Processo isobarico-isotermico
Quando si considerano le leggi sui gas, a volte si dimentica che, oltre ai valori di T, P e V, può cambiare anche il valore di n nella legge di Clapeyron-Mendeleev. Se fissiamo la pressione e la temperatura, otteniamo l'equazione della transizione isobarica-isotermica:
n / V=const quando T=cost, P=cost.
La relazione lineare tra la quantità di sostanza e il volume suggerisce che nelle stesse condizioni, diversi gas contenenti la stessa quantità di sostanza occupano volumi uguali. Ad esempio, in condizioni normali (0 oC, 1 atmosfera), il volume molare di qualsiasi gas è 22,4 litri. La legge considerata è chiamata principio di Avogadro. È alla base della legge di D alton sulle miscele di gas ideali.
