Gazet, nga pikëpamja e termodinamikës, përshkruhen nga një grup karakteristikash makroskopike, kryesore prej të cilave janë temperatura, presioni dhe vëllimi. Qëndrueshmëria e njërit prej këtyre parametrave dhe ndryshimi në dy të tjerët tregon se një ose një tjetër izoproces ndodh në gaz. Ne do t'i kushtojmë këtë artikull një përgjigje të detajuar për pyetjet se ky është një proces izokorik, si ndryshon nga ndryshimet izotermike dhe izobarike në gjendjet e një sistemi gazi.
Gazi ideal në fizikë
Para se t'i përgjigjeni pyetjes se ky është një proces izokorik, duhet të njiheni më mirë me konceptin e një gazi ideal. Në fizikë, kuptohet si çdo gaz në të cilin energjia mesatare kinetike e grimcave përbërëse të tij tejkalon shumë energjinë potenciale të bashkëveprimit të tyre dhe distancat midis këtyre grimcave janë disa rend të madhësisë më të mëdha se dimensionet e tyre lineare. Në kushtet e shënuara, është e mundur, gjatë kryerjesllogaritjet nuk marrin parasysh energjinë e ndërveprimit ndërmjet grimcave (është e barabartë me zero), dhe gjithashtu mund të supozohet se grimcat janë pika materiale që kanë një masë të caktuar m.
I vetmi proces që ndodh në një gaz ideal është përplasja e grimcave me muret e enës që përmban substancën. Këto përplasje manifestohen në praktikë si ekzistenca e një presioni të caktuar në gazin P.
Si rregull, çdo substancë e gaztë që përbëhet nga molekula relativisht inerte kimikisht dhe që ka presion të ulët dhe temperatura të larta, mund të konsiderohet një gaz ideal me saktësi të mjaftueshme për llogaritjet praktike.
Ekuacion që përshkruan një gaz ideal
Sigurisht, po flasim për ligjin universal të Clapeyron-Mendeleev, i cili duhet kuptuar mirë për të kuptuar se ky është një proces izokorik. Pra, ekuacioni universal i gjendjes ka formën e mëposhtme:
PV=nRT.
Dmth, produkti i presionit P dhe vëllimit të gazit V është i barabartë me produktin e temperaturës absolute T dhe sasisë së substancës në mole n, ku R është faktori proporcionaliteti. Vetë ekuacioni u shkrua për herë të parë nga Emile Clapeyron në 1834, dhe në vitet 70 të shekullit të 19-të, D. Mendeleev zëvendësoi në të një grup vlerash konstante të një konstante të vetme të gazit universal R (8,314 J/(molK)).
Në përputhje me ekuacionin Clapeyron-Mendeleev, në një sistem të mbyllur numri i grimcave të gazit mbetet konstant, kështu që ekzistojnë vetëm tre parametra makroskopikë që mund të ndryshojnë (T, Pdhe V). Fakti i fundit qëndron në themel të kuptimit të izoproceseve të ndryshme që do të diskutohen më poshtë.
Çfarë është një proces izokorik?
Ky proces kuptohet si absolutisht çdo ndryshim në gjendjen e sistemit, në të cilin vëllimi i tij ruhet.
Nëse i drejtohemi ekuacionit universal të gjendjes, mund të themi se në një proces izokorik vetëm presioni dhe temperatura absolute ndryshojnë në një gaz. Për të kuptuar saktësisht se si ndryshojnë parametrat termodinamikë, shkruajmë shprehjen matematikore përkatëse:
P / T=konst.
Ndonjëherë kjo barazi jepet në një formë paksa të ndryshme:
P1 / T1=P2 / T 2.
Të dyja barazitë quhen ligji i Charles sipas emrit të një shkencëtari francez, i cili në fund të shekullit të 18-të mori varësinë e theksuar në mënyrë eksperimentale.
Nëse ndërtojmë një grafik të funksionit P(T), atëherë marrim një varësi drejtvizore, e cila quhet izokore. Çdo izokore (për të gjitha vlerat e n dhe V) është një vijë e drejtë.
Përshkrimi i energjisë i procesit
Siç u përmend, një proces izokorik është një ndryshim në gjendjen e një sistemi që ndodh në një sistem të mbyllur, por jo të izoluar. Po flasim për mundësinë e shkëmbimit të nxehtësisë midis gazit dhe mjedisit. Në përgjithësi, çdo furnizim me ngrohje Q në sistem çon në dy rezultate:
- ndryshon energjinë e brendshme U;
- gazbën punën A, duke zgjeruar ose kontraktuar.
Përfundimi i fundit shkruhet matematikisht si më poshtë:
Q=U + A.
Procesi izokorik i një gazi ideal, sipas përkufizimit të tij, nuk nënkupton punën e bërë nga gazi, pasi vëllimi i tij mbetet i pandryshuar. Kjo do të thotë që e gjithë nxehtësia e furnizuar me sistemin shkon për të rritur energjinë e tij të brendshme:
Q=U.
Nëse zëvendësojmë formulën eksplicite për energjinë e brendshme në këtë shprehje, atëherë nxehtësia e procesit izokorik mund të përfaqësohet si:
Q=z / 2nRT.
Këtu z është numri i shkallëve të lirisë, i cili përcaktohet nga natyra poliatomike e molekulave që përbëjnë gazin. Për një gaz monoatomik, z=3, për një gaz diatomik - 5, dhe për një gaz triatomik e më shumë - 6. Këtu, nën shkallët e lirisë, nënkuptojmë shkallët përkthimore dhe rrotulluese.
Nëse krahasojmë efikasitetin e ngrohjes së sistemit të gazit në proceset izokorik dhe izobarik, atëherë në rastin e parë do të marrim efikasitetin maksimal, pasi gjatë ndryshimit izobarik të gjendjes së sistemit, gazi zgjerohet dhe një pjesë e hyrjes së nxehtësisë shpenzohet për kryerjen e punës.
Procesi izobarik
Më sipër kemi përshkruar në detaje se ky është një proces izokorik. Tani le të themi disa fjalë për izoproceset e tjera. Le të fillojmë me isobaric. Në bazë të emrit, kuptohet si kalim i sistemit ndërmjet gjendjeve në presion të vazhdueshëm. Ky proces përshkruhet nga ligji Gay-Lussac si më poshtë:
V / T=konst.
Ashtu si me izokoren, izobari V(T) gjithashtu përfaqëson një vijë të drejtë në grafik.
Përe çdo procesi izobarik, është e përshtatshme të llogaritet puna e bërë nga gazi, pasi është e barabartë me produktin e presionit konstant dhe ndryshimin në vëllim.
Proces izotermik
Ky është një proces në të cilin temperatura e sistemit mbetet konstante. Ai përshkruhet nga ligji Boyle-Mariotte për një gaz ideal. Është kurioze të theksohet se ky është ligji i parë i gazit i zbuluar eksperimentalisht (gjysma e dytë e shekullit të 17-të). Shënimi i tij matematikor duket si ky:
PV=konst.
Proceset izokorik dhe izotermik ndryshojnë për sa i përket paraqitjes së tyre grafike, pasi funksioni P(V) është një marrëdhënie hiperbolike dhe jo lineare.
Shembull i zgjidhjes së problemit
Le të konsolidojmë informacionin teorik të dhënë në artikull nga aplikimi i tyre për të zgjidhur një problem praktik. Dihet se azoti i pastër i gaztë ishte në një cilindër me një presion prej 1 atmosfere dhe një temperaturë prej 25 °C. Pasi u ngroh cilindri i gazit dhe u mat presioni në të, doli të ishte 1.5 atmosfera. Sa është temperatura e gazit në cilindër pas ngrohjes? Me çfarë sasie ndryshoi energjia e brendshme e gazit nëse do të kishte 4 mol azot në tullumbace.
Për t'iu përgjigjur pyetjes së parë, përdorim shprehjen e mëposhtme:
P1 / T1=P2 / T 2.
Nga marrim:
T2=P2 / P1 T 1.
Në këtë shprehje, presioni mund të zëvendësohet në njësi arbitrarematjet, pasi ato po zvogëlohen, dhe temperatura është vetëm në kelvin. Me këtë thamë, marrim:
T2=1,5 /1298,15=447,224 K.
Temperatura e llogaritur në gradë Celsius është 174 °C.
Meqenëse molekula e azotit është diatomike, ndryshimi në energjinë e brendshme të saj gjatë ngrohjes mund të përcaktohet si më poshtë:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Duke zëvendësuar vlerat e njohura në këtë shprehje, do të marrim përgjigjen për pyetjen e dytë të problemit: ΔU=+12,4 kJ.
