Dari empat keadaan agregat materi, gas mungkin yang paling sederhana dalam hal deskripsi fisiknya. Dalam artikel ini, kami mempertimbangkan pendekatan yang digunakan untuk deskripsi matematis gas nyata, dan juga memberikan apa yang disebut persamaan Clapeyron.
Gas ideal
Semua gas yang kita temui selama hidup (metana alami, udara, oksigen, nitrogen, dan sebagainya) dapat digolongkan sebagai ideal. Ideal adalah keadaan materi gas di mana partikel bergerak secara acak dalam arah yang berbeda, tumbukannya 100% elastis, partikel tidak berinteraksi satu sama lain, mereka adalah titik material (memiliki massa dan tidak memiliki volume).
Ada dua teori berbeda yang sering digunakan untuk menjelaskan wujud zat gas: kinetika molekuler (MKT) dan termodinamika. MKT menggunakan sifat-sifat gas ideal, distribusi statistik kecepatan partikel, dan hubungan energi kinetik dan momentum dengan suhu untuk menghitungkarakteristik makroskopik sistem. Pada gilirannya, termodinamika tidak menyelidiki struktur mikroskopis gas, ia mempertimbangkan sistem secara keseluruhan, menggambarkannya dengan parameter termodinamika makroskopik.
Parameter termodinamika gas ideal
Ada tiga parameter utama untuk menggambarkan gas ideal dan satu karakteristik makroskopik tambahan. Mari kita daftar mereka:
- Suhu T- mencerminkan energi kinetik molekul dan atom dalam gas. Dinyatakan dalam K (Kelvin).
- Volume V - mencirikan properti spasial sistem. Ditentukan dalam meter kubik.
- Tekanan P - karena dampak partikel gas pada dinding bejana yang menampungnya. Nilai ini diukur dalam sistem SI dalam pascal.
- Jumlah zat n - satuan yang nyaman digunakan saat menjelaskan sejumlah besar partikel. Dalam SI, n dinyatakan dalam mol.
Selanjutnya dalam artikel ini, rumus persamaan Clapeyron akan diberikan, di mana keempat karakteristik yang dijelaskan dari gas ideal hadir.
Persamaan keadaan universal
Persamaan keadaan gas ideal Clapeyron biasanya ditulis dalam bentuk berikut:
PV=nRT
Kesetaraan menunjukkan bahwa produk tekanan dan volume harus sebanding dengan produk suhu dan jumlah zat untuk setiap gas ideal. Nilai R disebut konstanta gas universal dan pada saat yang sama koefisien proporsionalitas antara utamakarakteristik makroskopik sistem.
Fitur penting persamaan ini harus diperhatikan: persamaan ini tidak bergantung pada sifat kimia dan komposisi gas. Makanya sering disebut universal.
Untuk pertama kalinya kesetaraan ini diperoleh pada tahun 1834 oleh fisikawan dan insinyur Prancis Emile Clapeyron sebagai hasil dari generalisasi hukum eksperimental Boyle-Mariotte, Charles dan Gay-Lussac. Namun, Clapeyron menggunakan sistem konstanta yang agak merepotkan. Selanjutnya, semua konstanta Clapeyron digantikan oleh satu nilai tunggal R. Dmitry Ivanovich Mendeleev melakukan ini, oleh karena itu ekspresi tertulis juga disebut rumus persamaan Clapeyron-Mendeleev.
Bentuk Persamaan Lainnya
Pada paragraf sebelumnya, bentuk utama penulisan persamaan Clapeyron diberikan. Namun demikian, dalam masalah fisika, besaran lain sering kali dapat diberikan sebagai ganti jumlah materi dan volume, sehingga akan berguna untuk memberikan bentuk lain dari penulisan persamaan universal untuk gas ideal.
Persamaan berikut mengikuti dari teori MKT:
PV=NkBT.
Ini juga merupakan persamaan keadaan, hanya jumlah N (jumlah partikel) yang kurang nyaman digunakan daripada jumlah zat n yang muncul di dalamnya. Juga tidak ada konstanta gas universal. Sebaliknya, konstanta Boltzmann digunakan. Persamaan tertulis mudah diubah menjadi bentuk universal jika persamaan berikut diperhitungkan:
n=N/NA;
R=NAkB.
Di sini NA- Nomor Avogadro.
Bentuk lain yang berguna dari persamaan keadaan adalah:
PV=m/MRT
Di sini, rasio massa m gas terhadap massa molar M, menurut definisi, adalah jumlah zat n.
Akhirnya, ekspresi lain yang berguna untuk gas ideal adalah rumus yang menggunakan konsep kerapatannya:
P=RT/M
Pemecahan Masalah
Hidrogen berada dalam silinder 150 liter di bawah tekanan 2 atmosfer. Penting untuk menghitung massa jenis gas jika suhu silinder diketahui 300 K.
Sebelum menyelesaikan soal, mari kita ubah satuan tekanan dan volume ke SI:
P=2 atm.=2101325=202650 Pa;
V=15010-3=0,15 m3.
Untuk menghitung massa jenis hidrogen, gunakan persamaan berikut:
P=RT/M.
Dari situ kita peroleh:
ρ=MP/(RT).
Massa molar hidrogen dapat dilihat pada tabel periodik Mendeleev. Sama dengan 210-3kg/mol. Nilai R adalah 8,314 J/(molK). Mengganti nilai-nilai ini dan nilai-nilai tekanan, suhu dan volume dari kondisi masalah, kami memperoleh kerapatan hidrogen dalam silinder berikut:
ρ=210-3202650/(8, 314300)=0,162 kg/m3.
Sebagai perbandingan, kerapatan udara sekitar 1,225 kg/m3pada tekanan 1 atmosfer. Hidrogen kurang padat, karena massa molarnya jauh lebih kecil daripada udara (15 kali).
