De gasvormige toestand van de materie om ons heen is een van de drie veelvoorkomende vormen van materie. In de natuurkunde wordt deze vloeibare aggregatietoestand gewoonlijk beschouwd bij de benadering van een ideaal gas. Met behulp van deze benadering beschrijven we in het artikel mogelijke isoprocessen in gassen.
Ideaal gas en de universele vergelijking om het te beschrijven
Een ideaal gas is een gas waarvan de deeltjes geen afmetingen hebben en geen interactie met elkaar hebben. Het is duidelijk dat er geen enkel gas is dat precies aan deze voorwaarden voldoet, aangezien zelfs het kleinste atoom - waterstof, een bepaalde grootte heeft. Bovendien is er zelfs tussen neutrale edelgasatomen een zwakke Van der Waals-interactie. Dan rijst de vraag: in welke gevallen kan de grootte van gasdeeltjes en de interactie daartussen worden verwaarloosd? Het antwoord op deze vraag is het naleven van de volgende fysisch-chemische voorwaarden:
- lage druk (ongeveer 1 atmosfeer en lager);
- hoge temperaturen (rond kamertemperatuur en hoger);
- chemische inertie van moleculen en atomengas.
Als aan ten minste één van de voorwaarden niet wordt voldaan, moet het gas als echt worden beschouwd en worden beschreven door een speciale Van der Waals-vergelijking.
De Mendelejev-Clapeyron-vergelijking moet worden overwogen voordat isoprocessen worden bestudeerd. De ideale gasvergelijking is de tweede naam. Het heeft de volgende notatie:
PV=nRT
Dat wil zeggen, het verbindt drie thermodynamische parameters: druk P, temperatuur T en volume V, evenals de hoeveelheid n van de stof. Het symbool R geeft hier de gasconstante aan, deze is gelijk aan 8,314 J / (Kmol).
Wat zijn isoprocessen in gassen?
Deze processen worden opgevat als overgangen tussen twee verschillende toestanden van het gas (begin en eind), waardoor sommige hoeveelheden behouden blijven en andere veranderen. Er zijn drie soorten isoprocessen in gassen:
- isotherm;
- isobaar;
- isochoric.
Het is belangrijk op te merken dat ze allemaal experimenteel werden bestudeerd en beschreven in de periode van de tweede helft van de 17e eeuw tot de jaren 30 van de 19e eeuw. Op basis van deze experimentele resultaten leidde Émile Clapeyron in 1834 een vergelijking af die universeel is voor gassen. Dit artikel is andersom opgebouwd: door de toestandsvergelijking toe te passen, verkrijgen we formules voor isoprocessen in ideale gassen.
Overgang bij constante temperatuur
Het wordt een isotherm proces genoemd. Uit de toestandsvergelijking van een ideaal gas volgt dat bij een constante absolute temperatuur in een gesloten systeem het product constant moet blijvenvolume naar druk, d.w.z.:
PV=const
Deze relatie werd inderdaad waargenomen door Robert Boyle en Edm Mariotte in de tweede helft van de 17e eeuw, dus de momenteel geregistreerde gelijkheid draagt hun naam.
Functionele afhankelijkheden P(V) of V(P), grafisch uitgedrukt, zien eruit als hyperbolen. Hoe hoger de temperatuur waarbij het isotherme experiment wordt uitgevoerd, hoe groter het product PV.
In een isotherm proces zet een gas uit of krimpt het en doet het werk zonder zijn interne energie te veranderen.
Overgang bij constante druk
Laten we nu het isobare proces bestuderen, waarbij de druk constant wordt gehouden. Een voorbeeld van zo'n overgang is het verhitten van het gas onder de zuiger. Door verhitting neemt de kinetische energie van de deeltjes toe, ze beginnen de zuiger vaker en met grotere kracht te raken, waardoor het gas uitzet. Tijdens het expansieproces voert het gas wat werk uit, waarvan de efficiëntie 40% is (voor een monoatomisch gas).
Voor dit isoproces zegt de toestandsvergelijking voor een ideaal gas dat de volgende relatie moet gelden:
V/T=const
Het is gemakkelijk te achterhalen of constante druk wordt overgebracht naar de rechterkant van de Clapeyron-vergelijking en temperatuur - naar links. Deze gelijkheid wordt de wet van Charles genoemd.
Gelijkheid geeft aan dat de functies V(T) en T(V) eruitzien als rechte lijnen in de grafieken. De helling van de lijn V(T) ten opzichte van de abscis zal kleiner zijn, hoe groter de drukP.
Overgang bij constant volume
Het laatste isoproces in gassen, dat we in het artikel zullen bespreken, is de isochore overgang. Met behulp van de universele Clapeyron-vergelijking is het gemakkelijk om de volgende gelijkheid voor deze overgang te verkrijgen:
P/T=const
De isochore overgang wordt beschreven door de wet van Gay-Lussac. Het is te zien dat grafisch de functies P(T) en T(P) rechte lijnen zullen zijn. Van alle drie isochoorprocessen is isochoor het meest efficiënt als het nodig is om de temperatuur van het systeem te verhogen vanwege de toevoer van externe warmte. Tijdens dit proces werkt het gas niet, dat wil zeggen dat alle warmte wordt gericht op het verhogen van de interne energie van het systeem.
