Gesi, kutoka kwa mtazamo wa thermodynamics, zinaelezwa na seti ya sifa za macroscopic, kuu ambayo ni joto, shinikizo na kiasi. Kudumu kwa moja ya vigezo hivi na mabadiliko katika nyingine mbili inaonyesha kuwa isoprocess moja au nyingine hutokea katika gesi. Tutatoa nakala hii kwa jibu la kina kwa maswali kwamba huu ni mchakato wa isochoric, jinsi unavyotofautiana na mabadiliko ya isothermal na isobaric katika hali ya mfumo wa gesi.
gesi bora katika fizikia
Kabla ya kujibu swali kwamba huu ni mchakato wa isochoric, unapaswa kufahamu dhana ya gesi bora zaidi. Katika fizikia, inaeleweka kama gesi yoyote ambayo wastani wa nishati ya kinetic ya chembe zake kuu huzidi sana nishati inayowezekana ya mwingiliano wao, na umbali kati ya chembe hizi ni maagizo kadhaa ya ukubwa zaidi kuliko vipimo vyake vya mstari. Chini ya masharti yaliyotajwa, inawezekana, wakati wa kufanyamahesabu hayazingatii nishati ya mwingiliano kati ya chembe (ni sawa na sifuri), na inaweza pia kudhaniwa kuwa chembe hizo ni nukta za nyenzo zenye uzito fulani m.
Mchakato pekee unaofanyika katika gesi bora ni mgongano wa chembe na kuta za chombo kilicho na dutu hii. Migongano hii hujidhihirisha kivitendo kama kuwepo kwa shinikizo fulani katika gesi P.
Kama kanuni, dutu yoyote ya gesi ambayo inajumuisha molekuli ajizi kiasi cha kemikali na ambayo ina shinikizo la chini na joto la juu inaweza kuchukuliwa kuwa gesi bora yenye usahihi wa kutosha kwa hesabu za vitendo.
Mlinganyo unaoelezea gesi bora
Kwa kweli, tunazungumza juu ya sheria ya ulimwengu ya Clapeyron-Mendeleev, ambayo inapaswa kueleweka vizuri ili kuelewa kuwa huu ni mchakato wa isochoric. Kwa hivyo, mlinganyo wa jumla wa hali una fomu ifuatayo:
PV=nRT.
Yaani, bidhaa ya shinikizo P na ujazo wa gesi V ni sawa na bidhaa ya halijoto kamili T na kiasi cha dutu katika moles n, ambapo R ni kipengele cha uwiano. Equation yenyewe iliandikwa kwanza na Emile Clapeyron mnamo 1834, na katika miaka ya 70 ya karne ya 19, D. Mendeleev alibadilisha ndani yake seti ya maadili ya mara kwa mara ya mara kwa mara ya gesi ya ulimwengu R (8.314 J/(molK).)).
Kwa mujibu wa mlinganyo wa Clapeyron-Mendeleev, katika mfumo funge idadi ya chembe za gesi hubaki bila kubadilika, kwa hiyo kuna vigezo vitatu tu vya macroscopic vinavyoweza kubadilika (T, P.na V). Ukweli wa mwisho unatokana na uelewa wa isoprocess mbalimbali ambazo zitajadiliwa hapa chini.
Mchakato wa isochoric ni nini?
Mchakato huu unaeleweka kama badiliko lolote katika hali ya mfumo, ambamo ujazo wake huhifadhiwa.
Tukigeukia mlingano wa jumla wa hali, tunaweza kusema kwamba katika mchakato wa isokororiki shinikizo na mabadiliko kamili ya halijoto katika gesi. Ili kuelewa haswa jinsi vigezo vya thermodynamic hubadilika, tunaandika usemi unaolingana wa kihesabu:
P / T=const.
Wakati mwingine usawa huu hutolewa kwa namna tofauti kidogo:
P1 / T1=P2 / T 2.
Sawa zote mbili zinaitwa sheria ya Charles baada ya jina la mwanasayansi Mfaransa ambaye mwishoni mwa karne ya 18 alipata utegemezi huo uliojulikana kwa majaribio.
Tukiunda grafu ya chaguo za kukokotoa P(T), basi tunapata utegemezi wa mstari wa moja kwa moja, unaoitwa isochore. Isochore yoyote (kwa thamani zote za n na V) ni mstari ulionyooka.
Maelezo ya nishati ya mchakato
Kama ilivyobainishwa, mchakato wa isokororiki ni mabadiliko katika hali ya mfumo ambayo hufanyika katika mfumo funge lakini ambao haujatengwa. Tunazungumza juu ya uwezekano wa kubadilishana joto kati ya gesi na mazingira. Kwa ujumla, usambazaji wowote wa joto Q kwenye mfumo husababisha matokeo mawili:
- hubadilisha nishati ya ndani U;
- gesihufanya kazi A, kupanua au kukandamiza.
Maelekezo ya mwisho yameandikwa kimahesabu kama ifuatavyo:
Q=U + A.
Mchakato wa isochoriki wa gesi bora, kwa ufafanuzi wake, haimaanishi kazi inayofanywa na gesi, kwa kuwa kiasi chake bado hakijabadilika. Hii inamaanisha kuwa joto lote linalotolewa kwa mfumo huenda kuongeza nishati yake ya ndani:
Q=U.
Ikiwa tutabadilisha fomula dhahiri ya nishati ya ndani hadi usemi huu, basi joto la mchakato wa isochoric linaweza kuwakilishwa kama:
Q=z / 2nRT.
Hapa z ni idadi ya digrii za uhuru, ambayo hubainishwa na asili ya polyatomu ya molekuli zinazounda gesi. Kwa gesi ya monatomiki, z=3, kwa gesi ya diatomiki - 5, na kwa triatomic na zaidi - 6. Hapa, chini ya digrii za uhuru, tunamaanisha digrii za kutafsiri na za mzunguko.
Ikiwa tunalinganisha ufanisi wa kupokanzwa mfumo wa gesi katika michakato ya isochoric na isobaric, basi katika kesi ya kwanza tutapata ufanisi mkubwa, kwani wakati wa mabadiliko ya isobaric katika hali ya mfumo, gesi hupanua, na. sehemu ya ingizo la joto hutumika kufanya kazi.
Mchakato wa Isobaric
Hapo juu tumeelezea kwa kina kuwa huu ni mchakato wa isochoric. Sasa hebu tuseme maneno machache kuhusu isoprocesses nyingine. Wacha tuanze na isobaric. Kulingana na jina, inaeleweka kama mpito wa mfumo kati ya majimbo kwa shinikizo la mara kwa mara. Mchakato huu unafafanuliwa na sheria ya Gay-Lussac kama ifuatavyo:
V / T=const.
Kama ilivyo kwa isochore, isobar ya V(T) pia inawakilisha mstari ulionyooka kwenye grafu.
Kwaya mchakato wowote wa isobaric, ni rahisi kuhesabu kazi iliyofanywa na gesi, kwa kuwa ni sawa na bidhaa ya shinikizo la mara kwa mara na mabadiliko ya kiasi.
Mchakato wa Isothermal
Huu ni mchakato ambapo halijoto ya mfumo husalia thabiti. Inaelezewa na sheria ya Boyle-Mariotte kwa gesi bora. Inashangaza kutambua kwamba hii ndiyo sheria ya kwanza ya gesi iliyogunduliwa kwa majaribio (nusu ya pili ya karne ya 17). Nukuu yake ya hisabati inaonekana kama hii:
PV=const.
Michakato ya isokororiki na isothermal hutofautiana kulingana na uwakilishi wao wa picha, kwa kuwa chaguo za kukokotoa P(V) ni hyperboliki, si uhusiano wa mstari.
Mfano wa utatuzi wa matatizo
Hebu tuunganishe maelezo ya kinadharia yaliyotolewa katika makala kwa matumizi yao ili kutatua tatizo la vitendo. Inajulikana kuwa nitrojeni safi ya gesi ilikuwa kwenye silinda kwa shinikizo la angahewa 1 na joto la 25 °C. Baada ya silinda ya gesi kuwashwa na shinikizo ndani yake lilipimwa, iligeuka kuwa anga 1.5. Je, ni joto gani la gesi kwenye silinda baada ya kupokanzwa? Ni kwa kiasi gani nishati ya ndani ya gesi ilibadilika ikiwa kulikuwa na moles 4 za nitrojeni kwenye puto.
Kujibu swali la kwanza, tunatumia usemi ufuatao:
P1 / T1=P2 / T 2.
Kutoka tunakopata:
T2=P2 / P1 T 1.
Katika usemi huu, shinikizo linaweza kubadilishwa katika vitengo kiholelavipimo, kwa kuwa hupungua, na hali ya joto ni katika kelvins tu. Kwa kusema hivyo, tunapata:
T2=1.5 /1298.15=447.224 K.
Kiwango cha joto kilichohesabiwa katika nyuzi joto Selsiasi ni 174 °C.
Kwa kuwa molekuli ya nitrojeni ni ya diatomiki, badiliko la nishati yake ya ndani wakati wa kuongeza joto linaweza kubainishwa kama ifuatavyo:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Tukibadilisha maadili yanayojulikana katika usemi huu, tutapata jibu la swali la pili la tatizo: ΔU=+12.4 kJ.
