Setiap orang selama hidupnya menemukan tubuh-tubuh yang berada di salah satu dari tiga keadaan agregat materi. Keadaan agregasi yang paling sederhana untuk dipelajari adalah gas. Pada artikel ini, kita akan membahas konsep gas ideal, memberikan persamaan keadaan sistem, dan juga memperhatikan deskripsi suhu mutlak.
Keadaan materi gas
Setiap siswa memiliki gagasan yang baik tentang keadaan materi yang mereka bicarakan ketika mereka mendengar kata "gas". Kata ini dipahami sebagai tubuh yang mampu menempati volume apa pun yang disediakan untuknya. Ia tidak dapat mempertahankan bentuknya, karena ia tidak dapat menahan pengaruh luar sekecil apa pun. Selain itu, gas tidak menahan volume, yang membedakannya tidak hanya dari padatan, tetapi juga dari cairan.
Seperti cairan, gas adalah zat cair. Dalam proses gerak benda padat dalam gas, yang terakhir menghambat gerakan ini. Gaya yang dihasilkan disebut resistensi. Nilainya tergantung padakecepatan benda dalam gas.
Contoh gas yang kuat adalah udara, gas alam yang digunakan untuk memanaskan rumah dan memasak, gas inert (Ne, Ar) yang digunakan untuk mengisi tabung cahaya iklan atau digunakan untuk menciptakan lingkungan inert (non-agresif, protektif) saat mengelas.
Gas ideal
Sebelum melanjutkan ke deskripsi hukum gas dan persamaan keadaan, Anda harus memahami dengan baik pertanyaan tentang apa itu gas ideal. Konsep ini diperkenalkan dalam teori kinetik molekuler (MKT). Gas ideal adalah gas apa pun yang memenuhi karakteristik berikut:
- Partikel yang membentuknya tidak berinteraksi satu sama lain kecuali tumbukan mekanis langsung.
- Sebagai akibat tumbukan partikel dengan dinding bejana atau di antara partikel itu sendiri, energi kinetik dan momentumnya kekal, yaitu tumbukan dianggap lenting mutlak.
- Partikel tidak memiliki dimensi, tetapi memiliki massa yang terbatas, yaitu mirip dengan titik material.
Itu wajar bahwa setiap gas tidak ideal, tetapi nyata. Namun demikian, untuk memecahkan banyak masalah praktis, pendekatan ini cukup valid dan dapat digunakan. Ada aturan empiris umum yang mengatakan: terlepas dari sifat kimianya, jika gas memiliki suhu di atas suhu kamar dan tekanan orde atmosfer atau lebih rendah, maka itu dapat dianggap ideal dengan akurasi tinggi dan dapat digunakan untuk menggambarkan dia.rumus persamaan keadaan gas ideal.
hukum Clapeyron-Mendeleev
Transisi antara keadaan agregat yang berbeda dari materi dan proses dalam keadaan agregat tunggal ditangani oleh termodinamika. Tekanan, suhu, dan volume adalah tiga besaran yang secara unik mendefinisikan setiap keadaan sistem termodinamika. Rumus persamaan keadaan gas ideal menggabungkan ketiga besaran tersebut menjadi satu persamaan. Mari kita tulis rumus ini:
PV=nRT
Di sini P, V, T - tekanan, volume, suhu, masing-masing. Nilai n adalah jumlah zat dalam mol, dan simbol R menunjukkan konstanta universal gas. Persamaan ini menunjukkan bahwa semakin besar hasil kali tekanan dan volume, maka harus semakin besar pula hasil kali jumlah zat dan suhu.
Rumus persamaan keadaan gas disebut hukum Clapeyron-Mendeleev. Pada tahun 1834, ilmuwan Prancis Emile Clapeyron, yang merangkum hasil eksperimen para pendahulunya, sampai pada persamaan ini. Namun, Clapeyron menggunakan sejumlah konstanta, yang kemudian digantikan Mendeleev dengan satu - konstanta gas universal R (8, 314 J / (molK)). Oleh karena itu, dalam fisika modern, persamaan ini dinamai menurut nama ilmuwan Prancis dan Rusia.
Bentuk Persamaan Lainnya
Di atas, kami menulis persamaan keadaan Mendeleev-Clapeyron untuk gas ideal dalam persamaan yang diterima secara umum danbentuk yang nyaman. Namun, dalam masalah termodinamika, bentuk yang sedikit berbeda mungkin sering diperlukan. Tiga formula lagi ditulis di bawah ini, yang langsung mengikuti persamaan tertulis:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=RT/M.
Ketiga persamaan ini juga universal untuk gas ideal, hanya di dalamnya jumlah seperti massa m, massa molar M, kerapatan dan jumlah partikel N yang membentuk sistem muncul. Simbol kB di sini menunjukkan konstanta Boltzmann (1, 3810-23J/K).
Hukum Boyle-Mariotte
Ketika Clapeyron menyusun persamaannya, ia didasarkan pada hukum gas yang telah ditemukan secara eksperimental beberapa dekade sebelumnya. Salah satunya adalah hukum Boyle-Mariotte. Ini mencerminkan proses isotermal dalam sistem tertutup, sebagai akibatnya parameter makroskopik seperti tekanan dan volume berubah. Jika kita menempatkan T dan n konstan dalam persamaan keadaan untuk gas ideal, maka hukum gas akan berbentuk:
P1V1=P2V 2
Ini adalah hukum Boyle-Mariotte, yang menyatakan bahwa hasil kali tekanan dan volume dipertahankan selama proses isotermal arbitrer. Dalam hal ini, nilai P dan V sendiri berubah.
Jika Anda memplot P(V) atau V(P), maka isotermnya adalah hiperbola.
Hukum Charles dan Gay-Lussac
Hukum-hukum ini secara matematis menggambarkan isobarik dan isokhorikproses, yaitu, transisi seperti itu antara keadaan sistem gas, di mana tekanan dan volume dipertahankan, masing-masing. Hukum Charles dapat ditulis secara matematis sebagai berikut:
V/T=const ketika n, P=const.
Hukum Gay-Lussac ditulis sebagai berikut:
P/T=const ketika n, V=const.
Jika kedua persamaan tersebut disajikan dalam bentuk grafik, maka akan diperoleh garis lurus yang membentuk sudut tertentu terhadap sumbu x. Jenis grafik ini menunjukkan perbandingan langsung antara volume dan suhu pada tekanan konstan dan antara tekanan dan suhu pada volume konstan.
Perhatikan bahwa ketiga hukum gas yang dipertimbangkan tidak memperhitungkan komposisi kimia gas, serta perubahan jumlah materinya.
Suhu mutlak
Dalam kehidupan sehari-hari, kita terbiasa menggunakan skala suhu Celcius, karena lebih mudah untuk menggambarkan proses di sekitar kita. Jadi, air mendidih pada 100 oC dan membeku pada 0 oC. Dalam fisika, skala ini ternyata tidak nyaman, oleh karena itu, yang disebut skala suhu absolut, yang diperkenalkan oleh Lord Kelvin pada pertengahan abad ke-19, digunakan. Sesuai dengan skala ini, suhu diukur dalam Kelvin (K).
Dipercaya bahwa pada suhu -273, 15 oC tidak ada getaran termal atom dan molekul, gerakan maju mereka berhenti sepenuhnya. Suhu ini dalam derajat Celcius sesuai dengan nol mutlak dalam Kelvin (0 K). Dari definisi iniarti fisis suhu mutlak sebagai berikut: ini adalah ukuran energi kinetik partikel yang menyusun materi, misalnya, atom atau molekul.
Selain pengertian fisis suhu mutlak di atas, ada pendekatan lain untuk memahami besaran ini. Salah satunya adalah hukum gas Charles yang disebutkan. Mari kita tulis dalam bentuk berikut:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
Persamaan terakhir mengatakan bahwa pada sejumlah zat tertentu dalam sistem (misalnya, 1 mol) dan tekanan tertentu (misalnya, 1 Pa), volume gas secara unik menentukan suhu absolut. Dengan kata lain, peningkatan volume gas dalam kondisi ini hanya dimungkinkan karena peningkatan suhu, dan penurunan volume menunjukkan penurunan nilai T.
Ingat, tidak seperti suhu Celcius, suhu mutlak tidak boleh negatif.
Asas Avogadro dan campuran gas
Selain hukum gas di atas, persamaan keadaan untuk gas ideal juga mengarah pada prinsip yang ditemukan oleh Amedeo Avogadro pada awal abad ke-19, yang menyandang nama belakangnya. Prinsip ini menetapkan bahwa volume gas apa pun pada tekanan dan suhu konstan ditentukan oleh jumlah zat dalam sistem. Rumus yang sesuai terlihat seperti ini:
n/V=const ketika P, T=const.
Ungkapan tertulis mengarah pada hukum D alton yang terkenal dalam fisika gas ideal untuk campuran gas. Inihukum menyatakan bahwa tekanan parsial gas dalam campuran ditentukan secara unik oleh fraksi atomnya.
Contoh penyelesaian masalah
Dalam bejana tertutup dengan dinding kaku yang berisi gas ideal, sebagai akibat dari pemanasan, tekanannya meningkat 3 kali lipat. Suhu akhir sistem perlu ditentukan jika nilai awalnya adalah 25 oC.
Pertama, mari kita ubah suhu dari derajat Celcius ke Kelvin, kita memiliki:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Karena dinding bejana kaku, proses pemanasan dapat dianggap isokhorik. Untuk kasus ini, kami menerapkan hukum Gay-Lussac, kami memiliki:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Jadi, suhu akhir ditentukan dari produk rasio tekanan dan suhu awal. Substitusikan data ke persamaan, kita dapatkan jawabannya: T2=894,45 K. Suhu ini sesuai dengan 621,3 oC.
