Đối tượng chính của nghiên cứu nhiệt động lực học của các hệ chất khí là sự thay đổi trạng thái nhiệt động lực học. Kết quả của những thay đổi như vậy, khí có thể hoạt động và tích trữ năng lượng bên trong. Hãy cùng chúng tôi nghiên cứu trong bài viết dưới đây các quá trình chuyển đổi nhiệt động khác nhau trong chất khí lý tưởng. Đặc biệt chú ý khi nghiên cứu đồ thị của quá trình đẳng nhiệt.
Khí lý tưởng
Đánh giá bằng chính cái tên, chúng ta có thể nói rằng 100% khí lý tưởng không tồn tại trong tự nhiên. Tuy nhiên, nhiều chất thực sự đáp ứng khái niệm này với độ chính xác thực tế.
Khí lý tưởng là khí bất kỳ trong đó có thể bỏ qua tương tác giữa các hạt và kích thước của chúng. Cả hai điều kiện chỉ được thỏa mãn nếu động năng của các phân tử lớn hơn nhiều so với thế năng của các liên kết giữa chúng và khoảng cách giữa các phân tử sẽ lớn hơn nhiều so với kích thước hạt.
Để xác định đó làNếu khí được nghiên cứu là lý tưởng, bạn có thể sử dụng một quy tắc chung: nếu nhiệt độ trong hệ thống cao hơn nhiệt độ phòng thì áp suất không khác nhiều so với áp suất khí quyển hoặc nhỏ hơn áp suất đó, và các phân tử tạo nên hệ thống trơ về mặt hóa học, khi đó khí sẽ là khí lý tưởng.
Luật chính
Chúng ta đang nói về phương trình khí lý tưởng, còn được gọi là định luật Clapeyron-Mendeleev. Phương trình này được viết ra vào những năm 30 của thế kỷ XIX bởi kỹ sư và nhà vật lý người Pháp Emile Clapeyron. Vài thập kỷ sau, nhà hóa học người Nga Mendeleev đã đưa nó về dạng hiện đại. Phương trình này trông giống như sau:
PV=nRT.
Ở vế trái của phương trình là tích của áp suất P và thể tích V, ở vế phải của phương trình là tích của nhiệt độ T và lượng chất n. R là hằng số khí phổ quát. Lưu ý rằng T là nhiệt độ tuyệt đối, được đo bằng Kelvins.
Định luật Clapeyron-Mendeleev lần đầu tiên thu được từ kết quả của các định luật khí trước đó, tức là nó chỉ dựa trên cơ sở thực nghiệm. Với sự phát triển của vật lý hiện đại và lý thuyết động học của chất lỏng, phương trình khí lý tưởng có thể được rút ra từ việc xem xét hành vi vi mô của các hạt trong hệ.
Quy trình đẳng nhiệt
Bất kể quá trình này xảy ra trong chất khí, chất lỏng hay chất rắn, nó đều có một định nghĩa rất rõ ràng. Quá trình chuyển đổi đẳng nhiệt là sự chuyển đổi giữa hai trạng thái trong đó nhiệt độ của hệđược bảo tồn, nghĩa là, vẫn không thay đổi. Do đó, đồ thị của quá trình đẳng nhiệt theo các trục thời gian (trục x) - nhiệt độ (trục y) sẽ là một đường nằm ngang.
Về khí lý tưởng, chúng ta lưu ý rằng quá trình chuyển đổi đẳng nhiệt đối với nó được gọi là định luật Boyle-Mariotte. Định luật này đã được khám phá bằng thực nghiệm. Hơn nữa, ông trở thành người đầu tiên trong lĩnh vực này (nửa sau thế kỷ 17). Mọi học sinh có thể thu được kết quả này nếu anh ta xem xét đặc tính của chất khí trong một hệ kín (n=const) ở nhiệt độ không đổi (T=const). Sử dụng phương trình trạng thái, chúng ta nhận được:
nRT=const=>
PV=const.
Đẳng thức cuối cùng là định luật Boyle-Mariotte. Trong sách giáo khoa vật lý, bạn cũng có thể tìm thấy dạng viết này:
P1 V1=P2 V2.
Trong quá trình chuyển từ trạng thái đẳng nhiệt 1 sang trạng thái nhiệt động 2, tích và áp suất không đổi đối với hệ khí kín.
Luật được nghiên cứu nói về tỷ lệ nghịch giữa các giá trị của P và V:
P=const / V.
Điều này có nghĩa là đồ thị của quá trình đẳng nhiệt trong khí lý tưởng sẽ là một đường cong hyperbol. Ba hypebol được hiển thị trong hình dưới đây.
Mỗi trong số chúng được gọi là một đường đẳng nhiệt. Nhiệt độ trong hệ càng cao thì đường đẳng nhiệt càng xa các trục tọa độ. Từ hình trên, chúng ta có thể kết luận rằng màu xanh lá cây tương ứng với nhiệt độ cao nhất trong hệ và màu xanh lam là thấp nhất, với điều kiện là lượng chất trong cả bacác hệ thống đều giống nhau. Nếu tất cả các đường đẳng nhiệt trong hình được xây dựng cho cùng một nhiệt độ, thì điều này có nghĩa là đường cong màu xanh lá cây tương ứng với hệ lớn nhất về lượng chất.
Thay đổi nội năng trong quá trình đẳng nhiệt
Trong vật lý khí lý tưởng, nội năng được hiểu là động năng gắn liền với chuyển động quay và tịnh tiến của các phân tử. Từ lý thuyết động năng có thể dễ dàng nhận được công thức sau cho nội năng U:
U=z / 2nRT.
Trong đó z là số bậc chuyển động tự do của các phân tử. Nó nằm trong khoảng từ 3 (khí đơn nguyên) đến 6 (phân tử đa nguyên tử).
Trong trường hợp của quá trình đẳng nhiệt, nhiệt độ không đổi, có nghĩa là lý do duy nhất cho sự thay đổi nội năng là sự đi ra hoặc đến của các hạt vật chất vào hệ thống. Do đó, trong các hệ thống kín, trong quá trình thay đổi đẳng nhiệt ở trạng thái của chúng, nội năng được bảo toàn.
Quy trình đẳng cấp và đẳng cấp
Ngoài định luật Boyle-Mariotte, còn có hai định luật khí cơ bản khác cũng được phát hiện bằng thực nghiệm. Chúng mang tên của Charles và Gay-Lussac của Pháp. Về mặt toán học, chúng được viết như thế này:
V / T=const khi P=const;
P / T=const khi V=const.
Định luật
Charles nói rằng trong một quá trình đẳng tích (P=const), thể tích phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ tuyệt đối. Định luật Gay-Lussac chỉ ra mối quan hệ tuyến tính giữa áp suất và nhiệt độ tuyệt đối ở đẳng ápchuyển tiếp (V=const).
Từ các giá trị đã cho, ta thấy rằng đồ thị của quá trình chuyển đổi đẳng tích và đẳng tích khác nhau đáng kể so với quá trình đẳng nhiệt. Nếu đường đẳng nhiệt có dạng hyperbol, thì đường đẳng và đường đẳng là các đường thẳng.
Quá trình đẳng nhiệt-đẳng nhiệt
Khi xem xét các định luật chất khí, đôi khi người ta quên rằng, ngoài các giá trị của T, P và V, giá trị của n trong định luật Clapeyron-Mendeleev cũng có thể thay đổi. Nếu chúng ta cố định áp suất và nhiệt độ, thì chúng ta nhận được phương trình của quá trình chuyển đổi đẳng nhiệt-đẳng nhiệt:
n / V=const khi T=const, P=const.
Mối quan hệ tuyến tính giữa lượng chất và thể tích cho thấy ở cùng điều kiện, các chất khí khác nhau chứa cùng một lượng chất chiếm thể tích bằng nhau. Ví dụ, ở điều kiện thường (0oC, 1 khí quyển), thể tích mol của một khí bất kỳ là 22,4 lít. Luật được xem xét được gọi là nguyên tắc Avogadro. Nó làm cơ sở cho định luật D alton về hỗn hợp khí lý tưởng.
