Gesi ni mojawapo ya mataifa manne ya maada yanayotuzunguka. Ubinadamu ulianza kusoma hali hii ya mambo kwa kutumia mbinu ya kisayansi, kuanzia karne ya 17. Katika makala iliyo hapa chini, tutajifunza gesi bora ni nini na ni mlinganyo upi unaoelezea tabia yake chini ya hali mbalimbali za nje.
Dhana ya gesi bora
Kila mtu anajua kwamba hewa tunayopumua, au methane asilia tunayotumia kupasha joto nyumba zetu na kupika chakula chetu, ni mfano mkuu wa hali ya gesi. Katika fizikia, kujifunza mali ya hali hii, dhana ya gesi bora ilianzishwa. Dhana hii inahusisha matumizi ya idadi ya mawazo na kurahisisha ambayo si muhimu katika kuelezea sifa za kimsingi za kimwili za dutu: joto, kiasi na shinikizo.
Kwa hivyo, gesi bora ni dutu ya kimiminika ambayo inakidhi masharti yafuatayo:
- Chembe (molekuli na atomi)kusonga kwa nasibu katika mwelekeo tofauti. Shukrani kwa mali hii, mnamo 1648, Jan Baptista van Helmont alianzisha dhana ya "gesi" ("machafuko" kutoka kwa Kigiriki cha kale).
- Chembe haziingiliani, yaani, mwingiliano kati ya molekuli na interatomiki unaweza kupuuzwa.
- Migongano kati ya chembe na kuta za chombo ni nyumbufu kabisa. Kama matokeo ya migongano kama hii, nishati ya kinetiki na kasi (kasi) huhifadhiwa.
- Kila chembe ni nukta ya nyenzo, yaani, ina wingi wa kikomo, lakini ujazo wake ni sifuri.
Seti ya masharti yaliyo hapo juu inalingana na dhana ya gesi bora. Dutu zote halisi zinazojulikana zinalingana kwa usahihi wa juu na dhana iliyoanzishwa kwa joto la juu (chumba na juu) na shinikizo la chini (anga na chini).
Sheria ya Boyle-Mariotte
Kabla ya kuandika mlinganyo wa hali kwa gesi bora, hebu tuwasilishe idadi ya sheria na kanuni fulani, ugunduzi wa kimajaribio ambao ulisababisha kupatikana kwa mlingano huu.
Hebu tuanze na sheria ya Boyle-Mariotte. Mnamo 1662, mwanakemia wa kimwili wa Uingereza Robert Boyle na mwaka wa 1676 mtaalam wa mimea wa Kifaransa Edm Mariotte alianzisha sheria ifuatayo kwa kujitegemea: ikiwa hali ya joto katika mfumo wa gesi inabakia mara kwa mara, basi shinikizo linaloundwa na gesi wakati wa mchakato wowote wa thermodynamic ni kinyume chake. kiasi. Kihisabati, uundaji huu unaweza kuandikwa kama ifuatavyo:
PV=k1 kwa T=const,wapi
- P, V - shinikizo na ujazo wa gesi bora;
- k1 - baadhi ya mara kwa mara.
Kwa kufanya majaribio ya gesi zenye kemikali tofauti, wanasayansi wamegundua kuwa thamani ya k1 haitegemei asili ya kemikali, bali inategemea uzito wa gesi hiyo.
Mpito kati ya hali na mabadiliko ya shinikizo na sauti wakati wa kudumisha halijoto ya mfumo inaitwa mchakato wa isothermal. Kwa hivyo, isothermu za gesi bora kwenye grafu ni hyperbolas ya utegemezi wa shinikizo kwenye sauti.
Sheria ya Charles na Gay-Lussac
Mnamo 1787, mwanasayansi Mfaransa Charles na mwaka wa 1803 Mfaransa mwingine Gay-Lussac walianzisha sheria nyingine iliyoelezea tabia ya gesi bora. Inaweza kutengenezwa kama ifuatavyo: katika mfumo wa kufungwa kwa shinikizo la gesi mara kwa mara, ongezeko la joto husababisha ongezeko la uwiano wa kiasi na, kinyume chake, kupungua kwa joto husababisha ukandamizaji wa uwiano wa gesi. Uundaji wa hisabati wa sheria ya Charles na Gay-Lussac umeandikwa kama ifuatavyo:
V / T=k2 wakati P=const.
Mpito kati ya hali ya gesi yenye mabadiliko ya halijoto na kiasi na wakati wa kudumisha shinikizo kwenye mfumo unaitwa mchakato wa isobaric. K2 hubainishwa na shinikizo katika mfumo na uzito wa gesi, lakini si kwa asili yake ya kemikali.
Kwenye jedwali, chaguo la kukokotoa V (T) ni mstari ulionyooka wenye tangent ya mteremko k2.
Unaweza kuelewa sheria hii ukizingatia masharti ya nadharia ya kinetiki ya molekuli (MKT). Hivyo, ongezeko la joto husababisha kuongezekanishati ya kinetic ya chembe za gesi. Mwisho huchangia kuongezeka kwa ukubwa wa migongano yao na kuta za chombo, ambayo huongeza shinikizo katika mfumo. Ili kudumisha shinikizo hili, upanuzi wa mfumo wa sauti unahitajika.
Sheria ya Mashoga-Lussac
Mwanasayansi wa Kifaransa aliyetajwa tayari mwanzoni mwa karne ya 19 alianzisha sheria nyingine inayohusiana na michakato ya thermodynamic ya gesi bora. Sheria hii inasema: ikiwa kiasi cha mara kwa mara kinahifadhiwa katika mfumo wa gesi, basi ongezeko la joto huathiri ongezeko la uwiano wa shinikizo, na kinyume chake. Fomula ya Gay-Lussac inaonekana kama hii:
P / T=k3 na V=const.
Tena tuna k3, ambayo inategemea wingi wa gesi na ujazo wake. Mchakato wa thermodynamic kwa kiasi cha mara kwa mara huitwa isochoric. Isochores kwenye grafu ya P(T) inaonekana sawa na isobars, yaani ni mistari iliyonyooka.
Kanuni ya Avogadro
Wakati wa kuzingatia mlinganyo wa hali ya gesi bora, mara nyingi hubainisha sheria tatu ambazo zimewasilishwa hapo juu na ambazo ni kesi maalum za mlingano huu. Walakini, kuna sheria nyingine, ambayo kwa kawaida huitwa kanuni ya Amedeo Avogadro. Pia ni kipochi maalum cha mlingano bora wa gesi.
Mnamo 1811, Muitaliano Amedeo Avogadro, kama matokeo ya majaribio mengi ya gesi tofauti, alifikia hitimisho lifuatalo: ikiwa shinikizo na joto katika mfumo wa gesi hutunzwa, basi kiasi chake cha V kinalingana moja kwa moja. kiasivitu n. Haijalishi dutu hii ni ya asili gani ya kemikali. Avogadro ilianzisha uwiano ufuatao:
n / V= k4,
ambapo k4 hubainishwa na shinikizo na halijoto katika mfumo.
Kanuni ya Avogadro wakati mwingine huundwa kama ifuatavyo: ujazo unaochukuliwa na mole 1 ya gesi bora kwa joto fulani na shinikizo huwa sawa kila wakati, bila kujali asili yake. Kumbuka kwamba mole 1 ya dutu ni nambari NA, inayoakisi idadi ya vitengo vya msingi (atomi, molekuli) vinavyounda dutu hii (NA=6.021023).
Mendeleev-Clapeyron sheria
Sasa ni wakati wa kurejea mada kuu ya makala. Gesi yoyote bora katika usawa inaweza kuelezewa kwa mlinganyo ufuatao:
PV=nRT.
Usemi huu unaitwa sheria ya Mendeleev-Clapeyron - baada ya majina ya wanasayansi ambao wametoa mchango mkubwa katika uundaji wake. Sheria inasema kwamba bidhaa ya nyakati za shinikizo la ujazo wa gesi hulingana moja kwa moja na bidhaa ya kiasi cha dutu katika gesi hiyo na joto lake.
Clapeyron alipata sheria hii kwanza, akitoa muhtasari wa matokeo ya tafiti za Boyle-Mariotte, Charles, Gay-Lussac na Avogadro. Ubora wa Mendeleev ni kwamba alitoa mlingano wa kimsingi wa gesi bora fomu ya kisasa kwa kuanzisha R. Clapeyron ya mara kwa mara alitumia seti ya viunga katika uundaji wake wa hisabati, ambayo ilifanya iwe vigumu kutumia sheria hii kwa kutatua matatizo ya vitendo.
Thamani R iliyoletwa na Mendeleevinaitwa Universal gesi constant. Inaonyesha ni kiasi gani cha kazi kinafanywa na mole 1 ya gesi ya asili yoyote ya kemikali kama matokeo ya upanuzi wa isobaric na ongezeko la joto kwa 1 kelvin. Kupitia Avogadro constant NA na Boltzmann mara kwa mara kB thamani hii inakokotolewa kama ifuatavyo:
R=NA kB=8, 314 J/(molK).
Mtoleo wa mlinganyo
Hali ya sasa ya thermodynamics na fizikia ya takwimu huturuhusu kupata mlingano bora wa gesi ulioandikwa katika aya iliyotangulia kwa njia kadhaa tofauti.
Njia ya kwanza ni kujumlisha sheria mbili tu za majaribio: Boyle-Mariotte na Charles. Kutoka kwa ujanibishaji huu inafuata fomu:
PV / T=const.
Hivi ndivyo Clapeyron alivyofanya katika miaka ya 30 ya karne ya XIX.
Njia ya pili ni kuomba masharti ya ICB. Ikiwa tunazingatia kasi ambayo kila chembe huhamisha wakati inagongana na ukuta wa chombo, tutazingatia uhusiano wa kasi hii na joto, na pia kuzingatia idadi ya chembe N kwenye mfumo, basi tunaweza kuandika gesi bora. mlinganyo kutoka kwa nadharia ya kinetiki katika muundo ufuatao:
PV=NkB T.
Kwa kuzidisha na kugawanya upande wa kulia wa mlingano kwa nambari NA, tunapata mlingano katika umbo ambalo imeandikwa katika aya hapo juu.
Kuna njia ya tatu ngumu zaidi ya kupata mlinganyo wa hali ya gesi bora - kutoka kwa mechanics ya takwimu kwa kutumia dhana ya Helmholtz nishati isiyolipishwa.
Kuandika mlinganyo kulingana na uzito wa gesi na msongamano
Kielelezo hapo juu kinaonyesha mlingano bora wa gesi. Ina kiasi cha dutu n. Hata hivyo, katika mazoezi, molekuli ya kutofautiana au ya mara kwa mara ya m gesi bora mara nyingi hujulikana. Katika kesi hii, equation itaandikwa katika fomu ifuatayo:
PV=m / MRT.
M - molekuli ya molar kwa gesi fulani. Kwa mfano, kwa oksijeni O2 ni 32 g/mol.
Mwishowe, tukibadilisha usemi wa mwisho, tunaweza kuuandika upya kama hii:
P=ρ / MRT
Msongamano wa dutu hii uko wapi.
Mchanganyiko wa gesi
Mchanganyiko wa gesi bora unafafanuliwa na ile inayoitwa sheria ya D alton. Sheria hii inafuata kutoka kwa usawa bora wa gesi, ambayo inatumika kwa kila sehemu ya mchanganyiko. Hakika, kila sehemu inachukua kiasi kizima na ina joto sawa na vipengele vingine vya mchanganyiko, ambayo inaruhusu sisi kuandika:
P=∑iPi=RT / V∑i mimi.
Yaani, jumla ya shinikizo katika mchanganyiko P ni sawa na jumla ya shinikizo la kiasi Pi ya vipengele vyote.
