ก๊าซในอุดมคติ สมการก๊าซในอุดมคติของรัฐ อุณหภูมิและความดัน ปริมาตร… รายการพารามิเตอร์และคำจำกัดความที่ใช้ในส่วนที่เกี่ยวข้องของฟิสิกส์สามารถดำเนินต่อไปได้เป็นเวลานาน วันนี้เราจะมาพูดคุยกันในหัวข้อนี้เท่านั้น
ฟิสิกส์โมเลกุลมีการพิจารณาอย่างไร
วัตถุหลักที่พิจารณาในส่วนนี้คือก๊าซในอุดมคติ สมการสถานะก๊าซในอุดมคตินั้นได้มาโดยคำนึงถึงสภาวะแวดล้อมปกติ และเราจะพูดถึงเรื่องนี้กันในภายหลัง ทีนี้มาดู "ปัญหา" นี้จากระยะไกลกัน
สมมุติว่าเรามีมวลก๊าซอยู่บ้าง สถานะของมันสามารถกำหนดได้โดยใช้พารามิเตอร์สามตัวของธรรมชาติทางอุณหพลศาสตร์ แน่นอนว่าสิ่งเหล่านี้คือความดัน ปริมาตร และอุณหภูมิ สมการสถานะของระบบในกรณีนี้จะเป็นสูตรสำหรับความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้อง หน้าตาเป็นแบบนี้: F (p, V, T)=0.
นี่เป็นครั้งแรกที่เรากำลังเข้าใกล้การเกิดขึ้นของสิ่งที่เป็นอุดมคติอย่างช้าๆแก๊ส. มันถูกเรียกว่าก๊าซซึ่งปฏิสัมพันธ์ระหว่างโมเลกุลนั้นไม่สำคัญ โดยทั่วไปแล้วสิ่งนี้ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม มีก๊าซที่หายากมากอยู่ใกล้ ๆ ไนโตรเจน ออกซิเจน และอากาศ ซึ่งอยู่ภายใต้สภาวะปกติ แตกต่างจากอุดมคติเพียงเล็กน้อย ในการเขียนสมการสถานะสำหรับก๊าซในอุดมคติ เราสามารถใช้กฎของก๊าซที่เป็นหนึ่งเดียวกันได้ เราได้รับ: pV/T=const.
แนวคิดที่เกี่ยวข้อง 1: กฎของอโวกาโดร
เขาบอกเราได้ว่าถ้าเราเอาจำนวนโมลของก๊าซสุ่มมาใส่ในสภาพเดียวกัน ซึ่งรวมถึงอุณหภูมิและความดัน ก๊าซก็จะมีปริมาตรเท่ากัน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การทดลองได้ดำเนินการภายใต้สภาวะปกติ ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิอยู่ที่ 273.15 เคลวิน ความดันเท่ากับหนึ่งบรรยากาศ (760 มิลลิเมตรปรอท หรือ 101325 ปาสกาล) ด้วยพารามิเตอร์เหล่านี้ ก๊าซจึงมีปริมาตรเท่ากับ 22.4 ลิตร ดังนั้น เราสามารถพูดได้ว่าสำหรับก๊าซหนึ่งโมล อัตราส่วนของพารามิเตอร์ตัวเลขจะเป็นค่าคงที่ นั่นคือเหตุผลที่ตัดสินใจกำหนดตัวเลขนี้ด้วยตัวอักษร R และเรียกมันว่าค่าคงที่แก๊สสากล เท่ากับ 8.31 หน่วยคือ J/molK
แก๊สในอุดมคติ. สมการก๊าซในอุดมคติของรัฐและการบิดเบือน
มาลองเขียนสูตรกันใหม่ครับ ในการทำเช่นนี้ เราเขียนมันในรูปแบบนี้: pV =RT ต่อไป เราดำเนินการอย่างง่าย คูณทั้งสองข้างของสมการด้วยจำนวนโมลตามอำเภอใจ เราได้รับ pVu=uRT ให้เราคำนึงถึงความจริงที่ว่าผลิตภัณฑ์ของปริมาตรกรามและปริมาณของสสารเป็นเพียงปริมาณ แต่ท้ายที่สุดแล้ว จำนวนโมลจะเท่ากับผลหารของมวลและมวลโมลาร์พร้อมกัน นี่คือสิ่งที่สมการ Mendeleev-Clapeyron ดูเหมือน มันให้แนวคิดที่ชัดเจนว่ารูปแบบของก๊าซในอุดมคตินั้นเป็นอย่างไร สมการสถานะสำหรับก๊าซในอุดมคติจะอยู่ในรูปแบบ: pV=mRT/M.
สรุปสูตรความดัน
มาทำการเปลี่ยนแปลงเพิ่มเติมกับนิพจน์ที่ได้รับกันเถอะ เมื่อต้องการทำเช่นนี้ ทางด้านขวาของสมการ Mendeleev-Clapeyron จะถูกคูณและหารด้วยเลข Avogadro ตอนนี้เราพิจารณาผลิตภัณฑ์ของปริมาณสารอย่างระมัดระวังด้วยหมายเลข Avogadro นี่ไม่ใช่แค่จำนวนโมเลกุลทั้งหมดในแก๊ส แต่ในขณะเดียวกัน อัตราส่วนของค่าคงที่แก๊สสากลต่อจำนวนอะโวกาโดรจะเท่ากับค่าคงที่โบลซ์มันน์ ดังนั้น สูตรของความดันสามารถเขียนได้ดังนี้ p=NkT/V หรือ p=nkT สัญลักษณ์ n คือความเข้มข้นของอนุภาค
กระบวนการผลิตก๊าซในอุดมคติ
ในโมเลกุลฟิสิกส์ มีสิ่งที่เรียกว่าไอโซโพรเซส เหล่านี้เป็นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ที่เกิดขึ้นในระบบที่พารามิเตอร์คงที่ตัวใดตัวหนึ่ง ในกรณีนี้มวลของสารจะต้องคงที่เช่นกัน ลองดูที่พวกเขาโดยเฉพาะมากขึ้น ดังนั้น กฎของแก๊สในอุดมคติ
ความดันคงที่
นี่คือกฎของเก-ลุสแซก ดูเหมือนว่านี้: V/T=const. สามารถเขียนใหม่ได้อีกทางหนึ่ง: V=Vo (1 + at) ที่นี่ a เท่ากับ 1/273.15 K^-1 และเรียกว่า "สัมประสิทธิ์การขยายตัวของปริมาตร" เราสามารถแทนที่อุณหภูมิได้ทั้งแบบเซลเซียสและมาตราส่วนเคลวิน ในกรณีหลังเราจะได้สูตร V=Voat
ปริมาณคงที่
นี่คือกฎข้อที่สองของเกย์-ลุสแซก ซึ่งมักเรียกกันว่ากฎของชาร์ลส์ ดูเหมือนว่านี้: p/T=const มีอีกสูตรหนึ่งคือ p=po (1 + at) การเปลี่ยนแปลงสามารถทำได้ตามตัวอย่างก่อนหน้า อย่างที่คุณเห็น บางครั้งกฎของแก๊สในอุดมคติก็ค่อนข้างจะคล้ายกัน
อุณหภูมิคงที่
หากอุณหภูมิของก๊าซอุดมคติคงที่ เราก็จะได้กฎบอยล์-มาริออตต์ สามารถเขียนได้ดังนี้: pV =const.
แนวคิดที่เกี่ยวข้อง 2: ความกดดันบางส่วน
สมมุติว่าเรามีเรือบรรทุกก๊าซ มันจะเป็นส่วนผสม ระบบอยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน และก๊าซเองไม่ทำปฏิกิริยาซึ่งกันและกัน โดยที่ N จะแสดงจำนวนโมเลกุลทั้งหมด N1, N2 และอื่น ๆ ตามลำดับ จำนวนโมเลกุลในแต่ละองค์ประกอบของส่วนผสม ให้เราใช้สูตรความดัน p=nkT=NkT/V สามารถเปิดได้เฉพาะกรณี สำหรับของผสมสององค์ประกอบ สูตรจะอยู่ในรูปแบบ: p=(N1 + N2) kT/V แต่ปรากฎว่าแรงดันทั้งหมดจะถูกรวมจากแรงดันบางส่วนของส่วนผสมแต่ละชนิด ดังนั้นจะมีลักษณะเหมือน p1 + p2 เป็นต้น นี่จะเป็นแรงกดดันบางส่วน
เพื่ออะไร
สูตรที่เราได้รับระบุว่าแรงดันในระบบมาจากโมเลกุลแต่ละกลุ่ม อนึ่งมันไม่ได้ขึ้นอยู่กับคนอื่น. ดัลตันใช้ประโยชน์จากสิ่งนี้ในการกำหนดกฎหมาย ซึ่งต่อมาตั้งชื่อตามเขา: ในส่วนผสมที่ก๊าซไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีระหว่างกัน ความดันทั้งหมดจะเท่ากับผลรวมของแรงดันบางส่วน
