Hali ya jumla ya maada, ambapo nishati ya kinetiki ya chembe huzidi kwa mbali nishati yao ya mwingiliano, inaitwa gesi. Fizikia ya vitu kama hivyo inaanza kuzingatiwa katika shule ya upili. Suala muhimu katika maelezo ya hisabati ya dutu hii ya maji ni equation ya hali kwa gesi bora. Tutaisoma kwa undani katika makala.
Gesi bora na tofauti yake na ile halisi
Kama unavyojua, hali yoyote ya gesi ina sifa ya mwendo wa mkanganyiko wenye kasi tofauti za molekuli na atomi zake kuu. Katika gesi halisi, kama vile hewa, chembe huingiliana kwa njia moja au nyingine. Kimsingi, mwingiliano huu una tabia ya van der Waals. Walakini, ikiwa hali ya joto ya mfumo wa gesi ni ya juu (joto la chumba na juu) na shinikizo sio kubwa (sambamba na anga), basi mwingiliano wa van der Waals ni mdogo sana.kuathiri tabia ya macroscopic ya mfumo mzima wa gesi. Katika hali hii, wanazungumza kuhusu bora.
Tukichanganya maelezo hapo juu katika ufafanuzi mmoja, tunaweza kusema kwamba gesi bora ni mfumo ambao hakuna mwingiliano kati ya chembe. Chembe zenyewe hazina kipimo, lakini zina misa fulani, na migongano ya chembe na kuta za chombo ni elastic.
Kivitendo gesi zote ambazo mtu hukutana nazo katika maisha ya kila siku (hewa, methane asilia kwenye jiko la gesi, mvuke wa maji) zinaweza kuchukuliwa kuwa bora kwa usahihi wa kuridhisha kwa matatizo mengi ya kiutendaji.
Masharti ya mwonekano wa mlingano bora wa hali ya gesi katika fizikia
Mwanadamu alisoma kikamilifu hali ya gesi ya maada kutoka kwa mtazamo wa kisayansi katika karne ya XVII-XIX. Sheria ya kwanza iliyoelezea mchakato wa isothermal ilikuwa uhusiano ufuatao kati ya ujazo wa mfumo V na shinikizo ndani yake P:
iliyogunduliwa kwa majaribio na Robert Boyle na Edme Mariotte.
PV=const, pamoja na T=const
Wakifanya majaribio ya gesi mbalimbali katika nusu ya pili ya karne ya 17, wanasayansi waliotajwa waligundua kuwa utegemezi wa shinikizo kwenye sauti daima una aina ya hyperbola.
Kisha, mwishoni mwa karne ya 18 - mwanzoni mwa karne ya 19, wanasayansi wa Ufaransa Charles na Gay-Lussac waligundua kwa majaribio sheria mbili zaidi za gesi ambazo zilielezea kihisabati michakato ya isobaric na isokororiki. Sheria zote mbili zimeorodheshwa hapa chini:
- V / T=const, wakati P=const;
- P / T=const, na V=const.
Sawa zote mbili zinaonyesha uwiano wa moja kwa moja kati ya ujazo wa gesi na halijoto, na pia kati ya shinikizo na halijoto, huku zikidumisha shinikizo na kiasi kisichobadilika, mtawalia.
Sharti lingine la kuandaa mlinganyo wa hali ya gesi bora lilikuwa ni ugunduzi wa uhusiano ufuatao na Amedeo Avagadro katika miaka ya 1910:
n / V= const, pamoja na T, P=const
Muitaliano huyo alithibitisha kwa majaribio kwamba ukiongeza kiasi cha dutu n, basi kwa halijoto na shinikizo lisilobadilika, sauti itaongezeka kimstari. Jambo la kushangaza zaidi ni kwamba gesi za asili tofauti kwa shinikizo na halijoto zile zile zilichukua ujazo sawa ikiwa idadi yao ililingana.
Sheria ya Clapeyron-Mendeleev
Katika miaka ya 30 ya karne ya 19, Mfaransa Emile Clapeyron alichapisha kazi ambapo alitoa mlinganyo wa hali kwa gesi bora. Ilikuwa tofauti kidogo na fomu ya kisasa. Hasa, Clapeyron alitumia viwango fulani vilivyopimwa kwa majaribio na watangulizi wake. Miongo michache baadaye, mwenzetu D. I. Mendeleev alibadilisha viunga vya Clapeyron na moja - gesi ya kawaida ya ulimwengu R. Matokeo yake, equation ya ulimwengu ilipata fomu ya kisasa:
PV=nRT
Ni rahisi kukisia kuwa huu ni mchanganyiko rahisi wa kanuni za sheria za gesi ambazo ziliandikwa hapo juu kwenye makala.
R isiyobadilika katika usemi huu ina maana maalum ya kimwili. Inaonyesha kazi ambayo mole 1 itafanya.gesi ikiwa itapanuka kwa ongezeko la joto kwa kelvin 1 (R=8.314 J / (molK))
Aina zingine za equation ya ulimwengu wote
Kando na aina iliyo hapo juu ya mlinganyo wa hali ya jumla wa gesi bora, kuna milinganyo ya hali inayotumia viwango vingine. Haya hapa chini:
- PV=m / MRT;
- PV=NkB T;
- P=ρRT / M.
Katika usawa huu, m ni wingi wa gesi bora, N ni idadi ya chembe katika mfumo, ρ ni msongamano wa gesi, M ni thamani ya molekuli ya molar.
Kumbuka kwamba fomula zilizoandikwa hapo juu ni halali ikiwa tu vizio vya SI vinatumika kwa wingi wote halisi.
Tatizo la mfano
Baada ya kupokea maelezo muhimu ya kinadharia, tutatatua tatizo lifuatalo. Nitrojeni safi iko kwenye shinikizo la 1.5 atm. katika silinda, kiasi chake ni lita 70. Inahitajika kuamua idadi ya moles ya gesi bora na wingi wake, ikiwa inajulikana kuwa iko kwenye joto la 50 ° C.
Kwanza, hebu tuandike vipimo vyote katika SI:
1) P=1.5101325=151987.5 Pa;
2) V=7010-3=0.07 m3;
3) T=50 + 273, 15=323, 15 K.
Sasa tunabadilisha data hizi kwenye mlingano wa Clapeyron-Mendeleev, tunapata thamani ya kiasi cha dutu:
n=PV / (RT)=151987.50.07 / (8.314323.15)=3.96 mol
Ili kubaini wingi wa nitrojeni, unapaswa kukumbuka fomula yake ya kemikali na uone thamanimolekuli ya molar katika jedwali la mara kwa mara la kipengele hiki:
M(N2)=142=0.028 kg/mol.
Uzito wa gesi utakuwa:
m=nM=3.960.028=0.111 kg
Kwa hivyo, kiasi cha nitrojeni kwenye puto ni 3.96 mol, uzito wake ni gramu 111.
