Trạng thái khí của vật chất xung quanh chúng ta là một trong ba dạng vật chất phổ biến. Trong vật lý, trạng thái tập hợp chất lỏng này thường được coi là gần đúng với khí lý tưởng. Sử dụng giá trị gần đúng này, chúng tôi mô tả trong bài viết các quá trình đẳng áp có thể có trong khí.
Khí lý tưởng và phương trình phổ quát để mô tả nó
Khí lý tưởng là khí có các hạt không có kích thước và không tương tác với nhau. Rõ ràng, không có một loại khí nào đáp ứng chính xác các điều kiện này, vì ngay cả nguyên tử nhỏ nhất - hydro, cũng có kích thước nhất định. Hơn nữa, ngay cả giữa các nguyên tử khí quý trung tính cũng có tương tác van der Waals yếu. Khi đó câu hỏi được đặt ra: trong những trường hợp nào có thể bỏ qua kích thước của các hạt khí và lực tương tác giữa chúng? Câu trả lời cho câu hỏi này sẽ là việc tuân thủ các điều kiện hóa lý sau:
- áp suất thấp (khoảng 1 bầu khí quyển trở xuống);
- nhiệt độ cao (xung quanh nhiệt độ phòng trở lên);
- tính trơ hóa học của phân tử và nguyên tửkhí.
Nếu ít nhất một trong các điều kiện không được đáp ứng, thì khí phải được coi là thực và được mô tả bằng một phương trình van der Waals đặc biệt.
Phương trình Mendeleev-Clapeyron phải được xem xét trước khi nghiên cứu các quá trình đẳng tích. Phương trình khí lý tưởng là tên thứ hai của nó. Nó có ký hiệu sau:
PV=nRT
Tức là nó liên kết ba thông số nhiệt động lực học: áp suất P, nhiệt độ T và thể tích V, cũng như lượng n của chất. Kí hiệu R ở đây biểu thị hằng số khí, nó bằng 8,314 J / (Kmol).
Quá trình đẳng áp trong khí là gì?
Các quá trình này được hiểu là quá trình chuyển đổi giữa hai trạng thái khác nhau của khí (ban đầu và cuối cùng), do đó một số đại lượng được bảo toàn và một số đại lượng khác thay đổi. Có ba loại quá trình đẳng áp trong khí:
- đẳng nhiệt;
- đẳng cấp;
- isochoric.
Điều quan trọng cần lưu ý là tất cả chúng đều được nghiên cứu và mô tả thực nghiệm trong khoảng thời gian từ nửa sau của thế kỷ 17 đến những năm 30 của thế kỷ 19. Dựa trên những kết quả thí nghiệm này, Émile Clapeyron vào năm 1834 đã đưa ra một phương trình phổ quát cho chất khí. Bài viết này được xây dựng theo cách khác - áp dụng phương trình trạng thái, chúng tôi thu được công thức cho các quá trình đẳng áp trong khí lý tưởng.
Chuyển tiếp ở nhiệt độ không đổi
Nó được gọi là quá trình đẳng nhiệt. Từ phương trình trạng thái của khí lý tưởng, suy ra rằng ở nhiệt độ tuyệt đối không đổi trong hệ kín, sản phẩm phải không đổithể tích thành áp suất, tức là:
PV=const
Mối quan hệ này thực sự đã được Robert Boyle và Edm Mariotte quan sát vào nửa sau của thế kỷ 17, vì vậy sự bình đẳng hiện được ghi nhận mang tên của họ.
Phụ thuộc hàm P (V) hoặc V (P), được biểu thị bằng đồ thị, trông giống như hyperbol. Nhiệt độ thực hiện thí nghiệm đẳng nhiệt càng cao thì tích số PV.
càng lớn
Trong quá trình đẳng nhiệt, một chất khí nở ra hoặc co lại, hoạt động mà không làm thay đổi nội năng của nó.
Chuyển tiếp ở áp suất không đổi
Bây giờ chúng ta hãy nghiên cứu quá trình đẳng tích, trong đó áp suất được giữ không đổi. Một ví dụ của quá trình chuyển đổi như vậy là sự đốt nóng của khí dưới piston. Kết quả của việc đốt nóng, động năng của các hạt tăng lên, chúng bắt đầu đập vào pít-tông thường xuyên hơn và với lực lớn hơn, kết quả là khí nở ra. Trong quá trình dãn nở, chất khí thực hiện một số công, hiệu suất của công đó là 40% (đối với chất khí đơn chức).
Đối với quá trình đẳng áp này, phương trình trạng thái của khí lý tưởng nói rằng quan hệ sau phải giữ:
V / T=const
Rất dễ đạt được nếu áp suất không đổi được chuyển sang vế phải của phương trình Clapeyron và nhiệt độ - sang vế trái. Sự bình đẳng này được gọi là luật Charles.
Bằng nhau chỉ ra rằng các hàm V (T) và T (V) giống như các đường thẳng trên đồ thị. Độ dốc của đường V (T) so với abscissa sẽ càng nhỏ, áp lực càng lớnP.
Chuyển đổi với âm lượng không đổi
Quá trình đẳng áp cuối cùng trong chất khí, mà chúng ta sẽ xem xét trong bài viết, là quá trình chuyển đổi đẳng áp. Sử dụng phương trình Clapeyron phổ quát, có thể dễ dàng thu được đẳng thức sau cho quá trình chuyển đổi này:
P / T=const
Sự chuyển đổi đẳng tích được mô tả bởi định luật Gay-Lussac. Có thể thấy rằng về mặt đồ thị các hàm P (T) và T (P) sẽ là các đường thẳng. Trong số cả ba quá trình đẳng tích, đẳng áp là hiệu quả nhất nếu cần tăng nhiệt độ của hệ do cung cấp nhiệt bên ngoài. Trong quá trình này, khí không hoạt động, tức là tất cả nhiệt sẽ được chuyển đến để tăng nội năng của hệ thống.
