Mỗi người trong suốt cuộc đời của mình đều gặp phải những cơ thể ở một trong ba trạng thái tổng hợp của vật chất. Trạng thái tập hợp đơn giản nhất để nghiên cứu là khí. Trong bài này, chúng ta sẽ xem xét khái niệm về khí lý tưởng, đưa ra phương trình trạng thái của hệ và cũng cần chú ý một số mô tả về nhiệt độ tuyệt đối.
Trạng thái khí của vật chất
Mỗi học sinh đều có ý tưởng tốt về trạng thái của vật chất mà họ đang nói khi nghe từ "khí". Từ này được hiểu là cơ thể có khả năng chiếm bất kỳ thể tích nào được cung cấp cho nó. Nó không thể giữ hình dạng của nó, bởi vì nó không thể chống lại các tác động bên ngoài dù là nhỏ nhất. Ngoài ra, khí không giữ lại thể tích, điều này giúp phân biệt nó không chỉ với chất rắn mà còn với chất lỏng.
Giống như chất lỏng, chất khí là một chất lỏng. Trong quá trình chuyển động của vật rắn trong chất khí, chất sau cản trở chuyển động này. Lực tạo thành được gọi là lực cản. Giá trị của nó phụ thuộc vàovận tốc của cơ thể trong chất khí.
Ví dụ mạnh mẽ về khí là không khí, khí tự nhiên được sử dụng để sưởi ấm nhà và nấu ăn, khí trơ (Ne, Ar) được sử dụng để lấp đầy các ống phát sáng quảng cáo hoặc được sử dụng để tạo ra một môi trường trơ (không xâm thực, bảo vệ) khi hàn.
Khílý
Trước khi tiếp tục mô tả các định luật khí và phương trình trạng thái, bạn nên hiểu rõ câu hỏi khí lý tưởng là gì. Khái niệm này được đưa ra trong thuyết động học phân tử (MKT). Khí lý tưởng là khí thỏa mãn các đặc điểm sau:
- Các hạt tạo thành nó không tương tác với nhau ngoại trừ va chạm cơ học trực tiếp.
- Do va chạm của các hạt với thành bình hoặc giữa chúng, động năng và động lượng của chúng được bảo toàn, tức là va chạm được coi là hoàn toàn đàn hồi.
- Các hạt không có kích thước, nhưng có khối lượng hữu hạn, tức là chúng tương tự như các điểm vật chất.
Lẽ tự nhiên, khí nào không lý tưởng mà có thật. Tuy nhiên, để giải quyết nhiều vấn đề thực tế, các phép tính gần đúng này khá hợp lệ và có thể được sử dụng. Có một quy tắc thực nghiệm chung cho rằng: bất kể bản chất hóa học là gì, nếu một chất khí có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ phòng và áp suất theo bậc khí quyển hoặc thấp hơn, thì nó có thể được coi là lý tưởng với độ chính xác cao và có thể được sử dụng để mô tả nó.công thức của phương trình khí lý tưởng ở trạng thái.
Định luật Clapeyron-Mendeleev
Sự chuyển đổi giữa các trạng thái tổng hợp khác nhau của vật chất và các quá trình trong một trạng thái tổng hợp duy nhất được xử lý bằng nhiệt động lực học. Áp suất, nhiệt độ và thể tích là ba đại lượng xác định duy nhất trạng thái bất kỳ của hệ nhiệt động lực học. Công thức phương trình trạng thái của khí lý tưởng kết hợp cả ba đại lượng này thành một đẳng thức duy nhất. Hãy viết công thức này:
PV=nRT
Ở đây P, V, T - áp suất, thể tích, nhiệt độ tương ứng. Giá trị của n là lượng chất tính bằng mol, ký hiệu R là hằng số phổ của chất khí. Đẳng thức này cho thấy tích của áp suất và thể tích càng lớn thì tích của lượng chất và nhiệt độ càng lớn.
Công thức của phương trình trạng thái của chất khí được gọi là định luật Clapeyron-Mendeleev. Năm 1834, nhà khoa học người Pháp Emile Clapeyron, tổng hợp kết quả thí nghiệm của những người đi trước, đã đưa ra phương trình này. Tuy nhiên, Clapeyron đã sử dụng một số hằng số, mà sau này Mendeleev đã thay thế bằng một hằng số - hằng số khí phổ quát R (8, 314 J / (molK)). Do đó, trong vật lý hiện đại, phương trình này được đặt theo tên của các nhà khoa học Pháp và Nga.
Các Dạng Phương trình Khác
Ở trên, chúng tôi đã viết phương trình trạng thái Mendeleev-Clapeyron cho một khí lý tưởng trong điều kiện thường được chấp nhận vàhình thức tiện lợi. Tuy nhiên, trong các bài toán về nhiệt động lực học, thường có thể yêu cầu một dạng hơi khác. Ba công thức khác được viết bên dưới, trực tiếp theo phương trình đã viết:
PV=NkB T;
PV=m / MRT;
P=ρRT / M.
Ba phương trình này cũng phổ biến cho một khí lý tưởng, chỉ khác ở chúng các đại lượng như khối lượng m, khối lượng mol M, khối lượng riêng ρ và số hạt N tạo nên hệ thống xuất hiện. Ký hiệu kBở đây biểu thị hằng số Boltzmann (1, 3810-23J / K).
Luật Boyle-Mariotte
Khi Clapeyron đưa ra phương trình của mình, ông đã dựa trên các định luật khí đã được khám phá bằng thực nghiệm vài thập kỷ trước đó. Một trong số đó là định luật Boyle-Mariotte. Nó phản ánh một quá trình đẳng nhiệt trong một hệ thống kín, do đó các thông số vĩ mô như áp suất và thể tích thay đổi. Nếu chúng ta đặt T và n hằng số trong phương trình trạng thái của khí lý tưởng, thì định luật khí khi đó sẽ có dạng:
P1 V1=P2 V2
Đây là định luật Boyle-Mariotte, nói rằng tích của áp suất và thể tích được bảo toàn trong một quá trình đẳng nhiệt tùy ý. Trong trường hợp này, các giá trị P và V tự thay đổi.
Nếu bạn vẽ biểu đồ P (V) hoặc V (P), thì các đường đẳng nhiệt sẽ là các hypebol.
Định luật của Charles và Gay-Lussac
Các luật này mô tả một cách toán học về đẳng thức và đẳng tíchCác quá trình, tức là các quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái của hệ khí, trong đó áp suất và thể tích được bảo toàn tương ứng. Định luật Charles có thể được viết bằng toán học như sau:
V / T=const khi n, P=const.
Định luật Gay-Lussac được viết như sau:
P / T=const khi n, V=const.
Nếu cả hai bằng nhau được trình bày dưới dạng một đồ thị, thì chúng ta sẽ nhận được các đường thẳng nghiêng một góc nào đó so với trục x. Loại đồ thị này biểu thị tỷ lệ thuận giữa thể tích và nhiệt độ ở áp suất không đổi và giữa áp suất và nhiệt độ ở thể tích không đổi.
Lưu ý rằng cả ba định luật khí được coi là không tính đến thành phần hóa học của khí, cũng như sự thay đổi lượng vật chất của nó.
Nhiệt độ tuyệt đối
Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta đã quen với việc sử dụng thang đo nhiệt độ độ C, vì nó thuận tiện cho việc mô tả các quá trình xung quanh chúng ta. Vì vậy, nước sôi ở 100oC và đóng băng ở 0oC. Trong vật lý, thang đo này hóa ra không thuận tiện, do đó, cái gọi là thang nhiệt độ tuyệt đối, được giới thiệu bởi Lord Kelvin vào giữa thế kỷ 19, được sử dụng. Theo thang này, nhiệt độ được đo bằng Kelvin (K).
Người ta tin rằng ở nhiệt độ -273, 15oC không có dao động nhiệt của nguyên tử và phân tử, chuyển động tịnh tiến của chúng dừng lại hoàn toàn. Nhiệt độ tính bằng độ C này tương ứng với độ không tuyệt đối tính bằng Kelvin (0 K). Từ định nghĩa nàyý nghĩa vật lý của nhiệt độ tuyệt đối như sau: nó là thước đo động năng của các hạt cấu tạo nên vật chất, ví dụ như nguyên tử hoặc phân tử.
Bên cạnh ý nghĩa vật lý ở trên của nhiệt độ tuyệt đối, có những cách tiếp cận khác để hiểu đại lượng này. Một trong số đó là định luật về chất khí của Charles. Hãy viết nó dưới dạng sau:
V1/ T1=V2/ T2=>
V1/ V2=T1/ T2.
Đẳng thức cuối cùng nói rằng tại một lượng chất nhất định trong hệ (ví dụ, 1 mol) và áp suất nhất định (ví dụ, 1 Pa), thể tích khí xác định duy nhất nhiệt độ tuyệt đối. Nói cách khác, sự tăng thể tích khí trong những điều kiện này chỉ có thể do sự tăng nhiệt độ và sự giảm thể tích cho thấy giá trị của T.
giảm
Nhắc lại rằng, không giống như nhiệt độ C, nhiệt độ tuyệt đối không thể âm.
Nguyên lý Avogadro và hỗn hợp khí
Ngoài các định luật khí ở trên, phương trình trạng thái của khí lý tưởng cũng dẫn đến nguyên lý do Amedeo Avogadro tìm ra vào đầu thế kỷ 19, mang họ của ông. Nguyên tắc này thiết lập rằng thể tích của bất kỳ chất khí nào ở áp suất và nhiệt độ không đổi được xác định bởi lượng chất trong hệ. Công thức tương ứng có dạng như sau:
n / V=const khi P, T=const.
Biểu thức bằng văn bản dẫn đến định luật nổi tiếng trong vật lý khí lý tưởng D alton về hỗn hợp khí. Cái nàyđịnh luật phát biểu rằng áp suất riêng phần của một chất khí trong hỗn hợp được xác định duy nhất bởi phần nguyên tử của nó.
Ví dụ về giải quyết vấn đề
Trong một bình kín có thành cứng chứa một lượng khí lý tưởng, khi đun nóng thì áp suất tăng lên 3 lần. Cần xác định nhiệt độ cuối cùng của hệ thống nếu giá trị ban đầu của nó là 25oC.
Đầu tiên, hãy chuyển đổi nhiệt độ từ độ C sang Kelvin, chúng ta có:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Vì thành bình cứng nên quá trình gia nhiệt có thể được coi là đẳng áp. Đối với trường hợp này, chúng tôi áp dụng định luật Gay-Lussac, chúng tôi có:
P1/ T1=P2/ T2=>
T2=P2/ P1 T1.
Vì vậy, nhiệt độ cuối cùng được xác định từ tích của tỷ lệ áp suất và nhiệt độ ban đầu. Thay dữ liệu vào đẳng thức, ta nhận được câu trả lời: T2=894.45 K. Nhiệt độ này tương ứng với 621.3oC.
