วิชาหลักของการศึกษาอุณหพลศาสตร์ของระบบแก๊สคือการเปลี่ยนแปลงในสภาวะทางอุณหพลศาสตร์ จากการเปลี่ยนแปลงดังกล่าว ก๊าซสามารถทำงานและเก็บพลังงานภายในได้ ให้เราศึกษาในบทความด้านล่าง การเปลี่ยนแปลงทางอุณหพลศาสตร์ต่างๆ ในก๊าซในอุดมคติ จะให้ความสนใจเป็นพิเศษกับการศึกษากราฟของกระบวนการไอโซเทอร์มอล
ก๊าซในอุดมคติ
ดูจากชื่อแล้ว เราสามารถพูดได้ว่าก๊าซในอุดมคติ 100% ไม่มีอยู่ในธรรมชาติ อย่างไรก็ตาม สารจริงจำนวนมากตอบสนองแนวคิดนี้ด้วยความแม่นยำในทางปฏิบัติ
ก๊าซในอุดมคติคือก๊าซใด ๆ ที่สามารถละเลยปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคกับขนาดของพวกมันได้ ทั้งสองเงื่อนไขจะพึงพอใจก็ต่อเมื่อพลังงานจลน์ของโมเลกุลจะมากกว่าพลังงานศักย์ของพันธะระหว่างพวกมัน และระยะห่างระหว่างโมเลกุลจะมากกว่าขนาดอนุภาคมาก
เพื่อตัดสินว่าอันไหนคือหากก๊าซที่อยู่ระหว่างการศึกษาอยู่ในอุดมคติ คุณสามารถใช้กฎง่ายๆ ได้ว่า ถ้าอุณหภูมิในระบบสูงกว่าอุณหภูมิห้อง ความดันไม่แตกต่างจากความดันบรรยากาศหรือน้อยกว่านั้นมากนัก และโมเลกุลที่ประกอบเป็นระบบ เฉื่อยทางเคมีแล้วก๊าซจะเหมาะ
กฎหมายหลัก
เรากำลังพูดถึงสมการของแก๊สในอุดมคติ ซึ่งเรียกอีกอย่างว่ากฎหมาย Clapeyron-Mendeleev สมการนี้เขียนขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ XIX โดยวิศวกรและนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Emile Clapeyron ไม่กี่ทศวรรษต่อมา Mendeleev นักเคมีชาวรัสเซียได้นำมันมาสู่รูปแบบที่ทันสมัย สมการนี้มีลักษณะดังนี้:
PV=nRT.
ทางด้านซ้ายของสมการเป็นผลคูณของความดัน P และปริมาตร V ทางด้านขวาของสมการคือผลคูณของอุณหภูมิ T และปริมาณของสาร n R คือค่าคงที่แก๊สสากล โปรดทราบว่า T คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ ซึ่งวัดเป็นเคลวิน
กฎของ Clapeyron-Mendeleev ได้มาจากผลของกฎแก๊สฉบับก่อนๆ ก่อน กล่าวคือ มีพื้นฐานมาจากฐานการทดลองเท่านั้น ด้วยการพัฒนาฟิสิกส์สมัยใหม่และทฤษฎีจลนศาสตร์ของของไหล สมการก๊าซในอุดมคติสามารถหาได้จากการพิจารณาพฤติกรรมด้วยกล้องจุลทรรศน์ของอนุภาคในระบบ
กระบวนการไอโซเทอร์มอล
ไม่ว่ากระบวนการนี้จะเกิดขึ้นในก๊าซ ของเหลว หรือของแข็งก็ตาม มีคำจำกัดความที่ชัดเจนมาก การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิความร้อนคือการเปลี่ยนแปลงระหว่างสองสถานะซึ่งอุณหภูมิของระบบสงวนไว้นั่นคือยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้น กราฟของกระบวนการไอโซเทอร์มอลในแกนเวลา (แกน x) - อุณหภูมิ (แกน y) จะเป็นเส้นแนวนอน
เกี่ยวกับก๊าซในอุดมคติ เราสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิของก๊าซที่เรียกว่ากฎบอยล์-มาริออตต์ กฎหมายนี้ถูกค้นพบโดยการทดลอง นอกจากนี้เขายังเป็นคนแรกในพื้นที่นี้ (ครึ่งหลังของศตวรรษที่ 17) นักเรียนทุกคนสามารถรับได้หากเขาพิจารณาพฤติกรรมของก๊าซในระบบปิด (n=const) ที่อุณหภูมิคงที่ (T=const) จากสมการของ state จะได้
nRT=const=>
PV=const.
ความเสมอภาคสุดท้ายคือกฎหมายบอยล์-มาริออตต์ ในตำราฟิสิกส์ คุณสามารถหารูปแบบการเขียนนี้ได้เช่นกัน:
P1 V1=P2 V 2.
ระหว่างการเปลี่ยนจากสถานะ isothermal 1 เป็นสถานะทางอุณหพลศาสตร์ 2 ผลคูณของปริมาตรและความดันจะคงที่สำหรับระบบแก๊สปิด
กฎหมายที่ศึกษาพูดถึงสัดส่วนผกผันระหว่างค่า P และ V:
P=const / V.
นี่หมายความว่ากราฟของกระบวนการไอโซเทอร์มอลในก๊าซอุดมคติจะเป็นกราฟไฮเปอร์โบลา แสดงไฮเปอร์โบลาสามตัวในรูปด้านล่าง
แต่ละอันเรียกว่าไอโซเทอร์ม ยิ่งอุณหภูมิในระบบสูงขึ้น ไอโซเทอร์มก็จะยิ่งห่างจากแกนพิกัดมากขึ้นเท่านั้น จากรูปด้านบนสรุปได้ว่าสีเขียวสอดคล้องกับอุณหภูมิสูงสุดในระบบและสีน้ำเงินถึงต่ำสุดโดยมีเงื่อนไขว่าปริมาณสารในทั้งสามระบบก็เหมือนกัน หากไอโซเทอร์มทั้งหมดในรูปสร้างขึ้นสำหรับอุณหภูมิเท่ากัน แสดงว่าเส้นโค้งสีเขียวสอดคล้องกับระบบที่ใหญ่ที่สุดในแง่ของปริมาณของสาร
การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายในระหว่างกระบวนการเก็บอุณหภูมิ
ในทางฟิสิกส์ของก๊าซในอุดมคติ พลังงานภายในถูกเข้าใจว่าเป็นพลังงานจลน์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนที่แบบหมุนและเชิงแปลของโมเลกุล จากทฤษฎีจลนศาสตร์ มันง่ายที่จะได้สูตรต่อไปนี้สำหรับพลังงานภายใน U:
U=z / 2nRT.
โดยที่ z คือจำนวนองศาการเคลื่อนที่อิสระของโมเลกุล มีตั้งแต่ 3 (monatomic gas) ถึง 6 (polyatomic molecules)
ในกรณีของกระบวนการไอโซเทอร์มอล อุณหภูมิจะคงที่ ซึ่งหมายความว่าเหตุผลเดียวสำหรับการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในคือการออกหรือการมาถึงของอนุภาคของสสารเข้าสู่ระบบ ดังนั้น ในระบบปิด ระหว่างการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิความร้อนในสภาวะของมัน พลังงานภายในจะถูกอนุรักษ์ไว้
กระบวนการไอโซบาริกและไอโซโคริก
นอกจากกฎหมาย Boyle-Mariotte แล้ว ยังมีกฎพื้นฐานเกี่ยวกับแก๊สอีกสองข้อที่ถูกค้นพบในการทดลองด้วย พวกเขามีชื่อของ French Charles และ Gay-Lussac ในทางคณิตศาสตร์ เขียนแบบนี้:
V / T=const เมื่อ P=const;
P / T=const เมื่อ V=const.
กฎของชาร์ลส์กล่าวว่าในระหว่างกระบวนการไอโซบาริก (P=const) ปริมาตรจะขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสัมบูรณ์เป็นเส้นตรง กฎของเกย์-ลุสแซกระบุถึงความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างความดันและอุณหภูมิสัมบูรณ์ที่ไอโซโคริกการเปลี่ยนแปลง (V=const).
จากความเท่าเทียมกันที่ให้มา กราฟของการเปลี่ยนผ่านแบบไอโซบาริกและไอโซโคริกแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากกระบวนการไอโซเทอร์มอล ถ้าไอโซเทอร์มมีรูปร่างเป็นไฮเปอร์โบลา แล้วไอโซบาร์และไอโซคอร์จะเป็นเส้นตรง
กระบวนการไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอล
เมื่อพิจารณากฎของแก๊สแล้ว บางครั้งลืมไปว่านอกจากค่าของ T, P และ V แล้ว ค่าของ n ในกฎหมาย Clapeyron-Mendeleev ก็เปลี่ยนแปลงได้เช่นกัน หากเรากำหนดความดันและอุณหภูมิ เราก็จะได้สมการการเปลี่ยนแปลงไอโซบาริก-ไอโซเทอร์มอล:
n / V=const เมื่อ T=const, P=const.
ความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างปริมาณของสารและปริมาตรแสดงให้เห็นว่าภายใต้สภาวะเดียวกัน ก๊าซต่างๆ ที่มีปริมาณสารเท่ากันจะมีปริมาตรเท่ากัน ตัวอย่างเช่น ภายใต้สภาวะปกติ (0 oC, 1 บรรยากาศ) ปริมาตรของก๊าซใด ๆ คือ 22.4 ลิตร กฎหมายที่พิจารณาเรียกว่าหลักการของอโวกาโดร อยู่ภายใต้กฎของส่วนผสมก๊าซอุดมคติของดาลตัน