Nga katër gjendjet agregate të materies, gazi është ndoshta më i thjeshti për sa i përket përshkrimit të tij fizik. Në artikull, ne konsiderojmë përafrimet që përdoren për përshkrimin matematikor të gazeve reale, si dhe japim të ashtuquajturin ekuacion Clapeyron.
Gaz ideal
Të gjithë gazrat që hasim gjatë jetës (metani natyror, ajri, oksigjeni, azoti etj.) mund të klasifikohen si ideale. Ideale është çdo gjendje e gaztë e materies në të cilën grimcat lëvizin rastësisht në drejtime të ndryshme, përplasjet e tyre janë 100% elastike, grimcat nuk ndërveprojnë me njëra-tjetrën, ato janë pika materiale (kanë masë dhe nuk kanë vëllim).
Ka dy teori të ndryshme që përdoren shpesh për të përshkruar gjendjen e gaztë të materies: kinetika molekulare (MKT) dhe termodinamika. MKT përdor vetitë e një gazi ideal, shpërndarjen statistikore të shpejtësive të grimcave dhe lidhjen e energjisë kinetike dhe momentit me temperaturën për të llogariturkarakteristikat makroskopike të sistemit. Nga ana tjetër, termodinamika nuk thellohet në strukturën mikroskopike të gazeve, ajo e konsideron sistemin në tërësi, duke e përshkruar atë me parametra termodinamikë makroskopikë.
Parametrat termodinamikë të gazeve ideale
Ka tre parametra kryesorë për përshkrimin e gazeve ideale dhe një karakteristikë makroskopike shtesë. Le t'i rendisim ato:
- Temperatura T- pasqyron energjinë kinetike të molekulave dhe atomeve në një gaz. Shprehur në K (Kelvin).
- Vëllimi V - karakterizon vetitë hapësinore të sistemit. Përcaktuar në metra kub.
- Presion P - për shkak të ndikimit të grimcave të gazit në muret e enës që e përmban. Kjo vlerë matet në sistemin SI në paskale.
- Sasia e substancës n - një njësi që është e përshtatshme për t'u përdorur kur përshkruan një numër të madh grimcash. Në SI, n shprehet në nishan.
Më tej në artikull, do të jepet formula e ekuacionit të Clapeyron, në të cilën janë të pranishme të katër karakteristikat e përshkruara të një gazi ideal.
Ekuacioni universal i gjendjes
Ekuacioni ideal i gjendjes së gazit të Clapeyron zakonisht shkruhet në formën e mëposhtme:
PV=nRT
Barazia tregon se produkti i presionit dhe vëllimit duhet të jetë proporcional me produktin e temperaturës dhe sasinë e substancës për çdo gaz ideal. Vlera R quhet konstante universale e gazit dhe në të njëjtën kohë koeficienti i proporcionalitetit ndërmjet kryesoritkarakteristikat makroskopike të sistemit.
Duhet theksuar një veçori e rëndësishme e këtij ekuacioni: ai nuk varet nga natyra kimike dhe përbërja e gazit. Kjo është arsyeja pse shpesh quhet universale.
Për herë të parë kjo barazi u përftua në 1834 nga fizikani dhe inxhinieri francez Emile Clapeyron si rezultat i përgjithësimit të ligjeve eksperimentale të Boyle-Mariotte, Charles dhe Gay-Lussac. Megjithatë, Clapeyron përdori një sistem disi të papërshtatshëm konstantesh. Më pas, të gjitha konstantat e Clapeyron u zëvendësuan nga një vlerë e vetme R. Dmitry Ivanovich Mendeleev e bëri këtë, prandaj shprehja e shkruar quhet edhe formula e ekuacionit Clapeyron-Mendeleev.
Forma të tjera të ekuacionit
Në paragrafin e mëparshëm, u dha forma kryesore e shkrimit të ekuacionit të Clapeyron. Megjithatë, në problemet në fizikë, shpesh mund të jepen sasi të tjera në vend të sasisë së materies dhe vëllimit, kështu që do të jetë e dobishme të jepen forma të tjera të shkrimit të ekuacionit universal për një gaz ideal.
Barazia e mëposhtme rrjedh nga teoria MKT:
PV=NkBT.
Ky është gjithashtu një ekuacion i gjendjes, vetëm sasia N (numri i grimcave) më pak e përshtatshme për t'u përdorur sesa sasia e substancës n shfaqet në të. Gjithashtu nuk ka konstante universale të gazit. Në vend të kësaj, përdoret konstanta Boltzmann. Barazia e shkruar shndërrohet lehtësisht në një formë universale nëse merren parasysh shprehjet e mëposhtme:
n=N/NA;
R=NAkB.
Këtu NA- Numri i Avogadros.
Një formë tjetër e dobishme e ekuacionit të gjendjes është:
PV=m/MRT
Këtu, raporti i masës m të gazit me masën molare M është, sipas përkufizimit, sasia e substancës n.
Më në fund, një shprehje tjetër e dobishme për një gaz ideal është një formulë që përdor konceptin e densitetit të tij ρ:
P=ρRT/M
Zgjidhja e problemit
Hidrogjeni ndodhet në një cilindër 150 litra nën një presion prej 2 atmosferash. Është e nevojshme të llogaritet dendësia e gazit nëse dihet se temperatura e cilindrit është 300 K.
Para se të fillojmë të zgjidhim problemin, le t'i konvertojmë njësitë e presionit dhe vëllimit në SI:
P=2 atm.=2101325=202650 Pa;
V=15010-3=0,15 m3.
Për të llogaritur densitetin e hidrogjenit, përdorni ekuacionin e mëposhtëm:
P=ρRT/M.
Nga ajo marrim:
ρ=MP/(RT).
Masa molare e hidrogjenit mund të shihet në tabelën periodike të Mendelejevit. Është e barabartë me 210-3kg/mol. Vlera R është 8,314 J/(molK). Duke zëvendësuar këto vlera dhe vlerat e presionit, temperaturës dhe vëllimit nga kushtet e problemit, marrim dendësinë e mëposhtme të hidrogjenit në cilindër:
ρ=210-3202650/(8, 314300)=0,162 kg/m3.
Për krahasim, dendësia e ajrit është afërsisht 1,225 kg/m3në një presion prej 1 atmosfere. Hidrogjeni është më pak i dendur, pasi masa e tij molare është shumë më e vogël se ajo e ajrit (15 herë).
