Nghiên cứu các tính chất và hành vi của khí lý tưởng là chìa khóa để hiểu toàn bộ vật lý của lĩnh vực này. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét khái niệm về một chất khí lý tưởng bao gồm những gì, những phương trình mô tả trạng thái và nội năng của nó. Chúng tôi cũng sẽ giải quyết một số vấn đề về chủ đề này.
Khái niệm chung
Mọi học sinh đều biết rằng khí là một trong ba trạng thái tổng hợp của vật chất, không giống như rắn và lỏng, không giữ thể tích. Ngoài ra, nó cũng không giữ được hình dạng và luôn lấp đầy hoàn toàn dung lượng được cung cấp cho nó. Trên thực tế, tính chất cuối cùng áp dụng cho cái gọi là khí lý tưởng.
Khái niệm về khí lý tưởng liên quan chặt chẽ đến thuyết động học phân tử (MKT). Phù hợp với nó, các phần tử của hệ thống khí chuyển động ngẫu nhiên theo mọi hướng. Tốc độ của chúng tuân theo phân bố Maxwell. Các hạt không tương tác với nhau, và khoảng cáchgiữa chúng vượt xa kích thước của chúng. Nếu tất cả các điều kiện trên được đáp ứng với độ chính xác nhất định, thì khí có thể được coi là lý tưởng.
Bất kỳ phương tiện truyền thông thực nào cũng gần như lý tưởng nếu chúng có mật độ thấp và nhiệt độ tuyệt đối cao. Ngoài ra, chúng phải được cấu tạo từ các phân tử hoặc nguyên tử không hoạt động về mặt hóa học. Vì vậy, do sự hiện diện của tương tác hydro mạnh giữa các phân tử H2 HO, tương tác hydro mạnh không được coi là khí lý tưởng, mà là không khí, bao gồm các phân tử không phân cực.
Định luật Clapeyron-Mendeleev
Trong quá trình phân tích, theo quan điểm của MKT, ứng xử của một chất khí ở trạng thái cân bằng, có thể thu được phương trình sau, liên hệ với các thông số nhiệt động chính của hệ:
PV=nRT.
Ở đây áp suất, thể tích và nhiệt độ lần lượt được ký hiệu bằng các chữ cái Latinh P, V và T. Giá trị của n là lượng chất cho phép xác định số hạt trong hệ, R là hằng số chất khí, không phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất khí. Nó bằng 8, 314 J / (Kmol), tức là, bất kỳ khí lý tưởng nào có lượng bằng 1 mol khi bị 1 K nung nóng, nở ra, thì công của 8, 314 J.
Đẳng thức đã ghi được gọi là phương trình phổ của trạng thái Clapeyron-Mendeleev. Tại sao? Nó được đặt tên như vậy để vinh danh nhà vật lý người Pháp Emile Clapeyron, người vào những năm 30 của thế kỷ 19, nghiên cứu các định luật khí thực nghiệm được thiết lập trước đó, đã viết ra nó ở dạng tổng quát. Sau đó, Dmitri Mendeleev dẫn anh ta đến hiện đạibằng cách nhập hằng số R.
Nội năng của môi trường cấu trúc
Khí lý tưởng đơn nguyên khác với khí đa nguyên tử ở chỗ các hạt của nó chỉ có ba bậc tự do (chuyển động tịnh tiến dọc theo ba trục không gian). Thực tế này dẫn đến công thức sau cho động năng trung bình của một nguyên tử:
mv2/ 2=3/2kB T.
Tốc độ v được gọi là bình phương trung bình căn. Khối lượng của một nguyên tử và hằng số Boltzmann lần lượt được ký hiệu là m và kB.
Theo định nghĩa nội năng là tổng của các thành phần động năng và thế năng. Chúng ta hãy xem xét chi tiết hơn. Vì một chất khí lý tưởng không có thế năng nên nội năng của nó là động năng. Công thức của nó là gì? Tính năng lượng của tất cả các hạt N trong hệ, ta thu được biểu thức sau cho nội năng U của một chất khí:
Ư=3/2nRT.
Ví dụ liên quan
Nhiệm vụ1. Một chất khí lí tưởng chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2. Khối lượng của khí không đổi (hệ kín). Cần xác định sự thay đổi nội năng của môi chất nếu chất chuyển tiếp là đẳng áp ở áp suất bằng một khí quyển. Thể tích của bình khí là ba lít.
Hãy viết công thức biến đổi nội năng U:
ΔU=3/2nRΔT.
Sử dụng phương trình Clapeyron-Mendeleev,biểu thức này có thể được viết lại thành:
ΔU=3/2PΔV.
Chúng tôi biết áp suất và sự thay đổi thể tích so với điều kiện của bài toán, vì vậy chúng tôi vẫn chuyển các giá trị của chúng thành SI và thay chúng vào công thức:
ΔU=3/21013250,003 ≈ 456 J.
Như vậy, khi một khí lý tưởng chuyển từ trạng thái 1 sang trạng thái 2, nội năng của nó tăng thêm 456 J.
Nhiệm vụ2. Một khí lý tưởng ở dạng monome với lượng 2 mol được trong một bình. Sau khi đốt nóng đẳng tích, năng lượng của nó tăng thêm 500 J. Nhiệt độ của hệ thay đổi như thế nào?
Hãy viết lại công thức thay đổi giá trị của U:
ΔU=3/2nRΔT.
Từ đó dễ dàng biểu diễn độ lớn của sự thay đổi nhiệt độ tuyệt đối ΔT, ta có:
ΔT=2ΔU / (3nR).
Thay dữ liệu cho ΔU và n từ điều kiện, ta nhận được câu trả lời: ΔT=+20 K.
Điều quan trọng cần hiểu là tất cả các tính toán trên chỉ có giá trị đối với khí lý tưởng về mặt cấu tạo. Nếu hệ được tạo thành bởi các phân tử đa nguyên tử, thì công thức của U sẽ không còn đúng nữa. Định luật Clapeyron-Mendeleev có giá trị đối với bất kỳ khí lý tưởng nào.
