Các hiện tượng và quá trình tự nhiên xung quanh chúng ta khá phức tạp. Để mô tả vật lý chính xác của chúng, nên sử dụng một bộ máy toán học cồng kềnh và cần tính đến một số lượng lớn các yếu tố quan trọng. Để tránh vấn đề này, một số mô hình đơn giản hóa được sử dụng trong vật lý, điều này tạo thuận lợi đáng kể cho việc phân tích toán học của quá trình, nhưng thực tế không ảnh hưởng đến độ chính xác của mô tả của nó. Một trong số đó là mô hình khí lý tưởng. Hãy cùng xem xét chi tiết hơn trong bài viết.
Khái niệm về khí lý tưởng
Khí lý tưởng là trạng thái tập hợp của một chất, bao gồm các điểm vật chất không tương tác với nhau. Hãy để chúng tôi giải thích định nghĩa này chi tiết hơn.
Đầu tiên, chúng ta đang nói về các điểm vật chất như những vật thể tạo nên khí lý tưởng. Điều này có nghĩa là các phân tử và nguyên tử của nó không có kích thước, nhưng có khối lượng nhất định. Nó táo bạoMột phép gần đúng có thể được thực hiện có tính đến thực tế là trong tất cả các khí thực ở áp suất thấp và nhiệt độ cao, khoảng cách giữa các phân tử lớn hơn nhiều so với kích thước tuyến tính của chúng.
Thứ hai, các phân tử trong khí lý tưởng không được tương tác với nhau. Trong thực tế, những tương tác như vậy luôn tồn tại. Vì vậy, ngay cả các nguyên tử của khí quý cũng trải qua lực hút lưỡng cực-lưỡng cực. Nói cách khác, có các tương tác van der Waals. Tuy nhiên, so với động năng của chuyển động quay và chuyển động tịnh tiến của các phân tử thì những tương tác này rất nhỏ nên không ảnh hưởng đến tính chất của chất khí. Do đó, chúng không thể được xem xét khi giải quyết các vấn đề thực tế.
Điều quan trọng cần lưu ý là không phải tất cả các khí có mật độ thấp và nhiệt độ cao đều có thể được coi là lý tưởng. Ngoài tương tác van der Waals, có những loại liên kết khác mạnh hơn, ví dụ, liên kết hydro giữa các phân tử H2O, dẫn đến vi phạm hoàn toàn các điều kiện về tính lý tưởng của khí. Vì lý do này, hơi nước không phải là khí lý tưởng, mà là không khí.
Mô hình vật lý của khí lý tưởng
Mô hình này có thể được biểu diễn như sau: giả sử rằng hệ khí chứa N hạt. Đây có thể là các nguyên tử và phân tử của các hóa chất và nguyên tố khác nhau. Số lượng hạt N lớn, vì vậy đơn vị "mol" thường được dùng để mô tả nó (1 mol tương ứng với số Avogadro). Tất cả chúng đều chuyển động trong một khối lượng V. Chuyển động của các hạthỗn loạn và độc lập với nhau. Mỗi người trong số họ có một tốc độ v nhất định và chuyển động trên một con đường thẳng.
Về mặt lý thuyết, xác suất va chạm giữa các hạt gần như bằng không, vì kích thước của chúng nhỏ so với khoảng cách giữa các hạt. Tuy nhiên, nếu xảy ra va chạm như vậy thì nó có tính đàn hồi tuyệt đối. Trong trường hợp sau, tổng động lượng của các hạt và động năng của chúng được bảo toàn.
Mô hình được coi là của khí lý tưởng là một hệ cổ điển với một số lượng lớn các nguyên tố. Do đó, tốc độ và năng lượng của các hạt trong nó tuân theo phân bố thống kê của Maxwell-Boltzmann. Một số hạt có vận tốc thấp, trong khi những hạt khác có vận tốc cao. Trong trường hợp này, có một giới hạn tốc độ hẹp nhất định, trong đó các giá trị có thể xảy ra nhất của đại lượng này nằm. Sự phân bố vận tốc của các phân tử nitơ được thể hiện dưới dạng giản đồ.
Thuyết động học của chất khí
Mô hình của khí lý tưởng được mô tả ở trên xác định duy nhất các tính chất của khí. Mô hình này được Daniel Bernoulli đề xuất lần đầu tiên vào năm 1738.
Sau đó, nó được phát triển đến trạng thái hiện tại bởi August Kroenig, Rudolf Clausius, Mikhail Lomonosov, James Maxwell, Ludwig Boltzmann, Marian Smoluchowski và các nhà khoa học khác.
Lý thuyết động học của các chất lỏng, trên cơ sở đó là mô hình khí lý tưởng được xây dựng, giải thích hai tính chất vĩ mô quan trọng của hệ dựa trên hành vi vi mô của nó:
- Áp suất trong chất khí là kết quả của sự va chạm của các hạt với thành bình.
- Nhiệt độ trong hệ thống là kết quả của sự biểu hiện chuyển động không ngừng của các phân tử và nguyên tử.
Hãy mở rộng cả hai kết luận của lý thuyết động học.
Áp suất khí
Mô hình khí lý tưởng giả định chuyển động hỗn loạn liên tục của các hạt trong hệ và va chạm liên tục của chúng với thành bình. Mỗi va chạm như vậy được coi là đàn hồi tuyệt đối. Khối lượng hạt nhỏ (≈10-27-10-25kg). Do đó, nó không thể tạo ra nhiều áp lực trong một vụ va chạm. Tuy nhiên, số lượng các hạt, và do đó là số vụ va chạm, là rất lớn (≈1023). Ngoài ra, vận tốc bình phương căn bậc hai của các nguyên tố là vài trăm mét trên giây ở nhiệt độ phòng. Tất cả điều này dẫn đến việc tạo ra áp suất đáng kể lên thành bình. Nó có thể được tính bằng công thức sau:
P=Nmvcp2/ (3V), trong đó vcplà vận tốc bình phương căn bậc hai, m là khối lượng hạt.
Nhiệt độ tuyệt đối
Theo mô hình khí lý tưởng, nhiệt độ được xác định duy nhất bởi động năng trung bình của một phân tử hoặc nguyên tử trong hệ đang nghiên cứu. Bạn có thể viết biểu thức sau liên hệ động năng và nhiệt độ tuyệt đối của khí lý tưởng:
mvcp2/ 2=3/2kB T.
Ở đây kBlà hằng số Boltzmann. Từ sự bình đẳng này, chúng ta nhận được:
T=m vcp2/ (3kB).
Phương trình phổ của trạng thái
Nếu chúng ta kết hợp các biểu thức trên cho áp suất tuyệt đối P và nhiệt độ tuyệt đối T, chúng ta có thể viết đẳng thức sau:
PV=nRT.
Ở đây n là lượng chất tính bằng mol, R là hằng số khí do D. I. Mendeleev đưa vào. Biểu thức này là phương trình quan trọng nhất trong lý thuyết về khí lý tưởng, vì nó kết hợp ba thông số nhiệt động lực học (V, P, T) và không phụ thuộc vào các đặc tính hóa học của hệ khí.
Phương trình phổ quát lần đầu tiên được nhà vật lý người Pháp Emile Clapeyron đưa ra bằng thực nghiệm vào thế kỷ 19 và sau đó được nhà hóa học người Nga Mendeleev đưa về dạng hiện đại, đó là lý do tại sao nó hiện mang tên của các nhà khoa học này.
