Gas adalah salah satu dari empat keadaan agregat materi di sekitar kita. Kemanusiaan mulai mempelajari keadaan materi ini menggunakan pendekatan ilmiah, mulai dari abad ke-17. Pada artikel di bawah ini, kita akan mempelajari apa itu gas ideal dan persamaan mana yang menjelaskan perilakunya dalam berbagai kondisi eksternal.
Konsep gas ideal
Semua orang tahu bahwa udara yang kita hirup, atau metana alami yang kita gunakan untuk memanaskan rumah kita dan memasak makanan kita, adalah contoh utama dari wujud materi dalam bentuk gas. Dalam fisika, untuk mempelajari sifat-sifat keadaan ini, konsep gas ideal diperkenalkan. Konsep ini melibatkan penggunaan sejumlah asumsi dan penyederhanaan yang tidak esensial dalam menggambarkan karakteristik fisik dasar suatu zat: suhu, volume, dan tekanan.
Jadi, gas ideal adalah zat cair yang memenuhi kondisi berikut:
- Partikel (molekul dan atom)bergerak secara acak ke arah yang berbeda. Berkat properti ini, pada tahun 1648, Jan Baptista van Helmont memperkenalkan konsep "gas" ("kekacauan" dari bahasa Yunani kuno).
- Partikel tidak saling berinteraksi, sehingga interaksi antarmolekul dan antaratom dapat diabaikan.
- Tumbukan antar partikel dan dengan dinding pembuluh bersifat lenting mutlak. Akibat tumbukan tersebut, energi kinetik dan momentum (momentum) kekal.
- Setiap partikel adalah titik material, yaitu memiliki massa yang terbatas, tetapi volumenya nol.
Himpunan kondisi di atas sesuai dengan konsep gas ideal. Semua zat nyata yang diketahui sesuai dengan akurasi tinggi dengan konsep yang diperkenalkan pada suhu tinggi (ruangan ke atas) dan tekanan rendah (suhu atmosfer ke bawah).
Hukum Boyle-Mariotte
Sebelum menuliskan persamaan keadaan untuk gas ideal, mari kita hadirkan sejumlah hukum dan prinsip tertentu, penemuan eksperimental yang mengarah pada penurunan persamaan ini.
Mari kita mulai dengan hukum Boyle-Mariotte. Pada tahun 1662, ahli kimia fisik Inggris Robert Boyle dan pada tahun 1676 ahli botani fisik Prancis Edm Mariotte secara independen menetapkan hukum berikut: jika suhu dalam sistem gas tetap konstan, maka tekanan yang diciptakan oleh gas selama proses termodinamika berbanding terbalik dengan suhunya. volume. Secara matematis, rumusan ini dapat ditulis sebagai berikut:
PV=k1 untuk T=const,dimana
- P, V - tekanan dan volume gas ideal;
- k1 - beberapa konstanta.
Bereksperimen dengan gas yang berbeda secara kimia, para ilmuwan telah menemukan bahwa nilai k1 tidak bergantung pada sifat kimianya, tetapi bergantung pada massa gas.
Transisi antara keadaan dengan perubahan tekanan dan volume sambil mempertahankan suhu sistem disebut proses isotermal. Jadi, isoterm gas ideal pada grafik adalah hiperbola dari ketergantungan tekanan pada volume.
Hukum Charles dan Gay-Lussac
Pada tahun 1787, ilmuwan Prancis Charles dan pada tahun 1803 orang Prancis lainnya Gay-Lussac secara empiris menetapkan hukum lain yang menggambarkan perilaku gas ideal. Ini dapat dirumuskan sebagai berikut: dalam sistem tertutup pada tekanan gas konstan, peningkatan suhu menyebabkan peningkatan volume yang proporsional dan, sebaliknya, penurunan suhu menyebabkan kompresi proporsional gas. Rumusan matematika dari hukum Charles dan Gay-Lussac ditulis sebagai berikut:
V / T=k2 ketika P=const.
Transisi antara keadaan gas dengan perubahan suhu dan volume dan dengan mempertahankan tekanan dalam sistem disebut proses isobarik. Konstanta k2 ditentukan oleh tekanan dalam sistem dan massa gas, tetapi tidak oleh sifat kimianya.
Pada grafik, fungsi V (T) adalah garis lurus dengan tangen kemiringan k2.
Anda dapat memahami hukum ini jika Anda mengacu pada ketentuan teori kinetika molekuler (MKT). Jadi, peningkatan suhu menyebabkan peningkatanenergi kinetik partikel gas. Yang terakhir berkontribusi pada peningkatan intensitas tabrakan mereka dengan dinding kapal, yang meningkatkan tekanan dalam sistem. Untuk menjaga tekanan ini konstan, ekspansi volumetrik sistem diperlukan.
Hukum Gay-Lussac
Ilmuwan Prancis yang telah disebutkan di awal abad ke-19 menetapkan hukum lain yang berkaitan dengan proses termodinamika gas ideal. Hukum ini menyatakan: jika volume konstan dipertahankan dalam sistem gas, maka peningkatan suhu mempengaruhi peningkatan proporsional tekanan, dan sebaliknya. Rumus Gay-Lussac terlihat seperti ini:
P / T=k3 dengan V=const.
Sekali lagi kita memiliki konstanta k3, yang bergantung pada massa gas dan volumenya. Proses termodinamika pada volume konstan disebut isokhorik. Isokor pada graf P(T) terlihat sama dengan isobar, yaitu garis lurus.
Prinsip Avogadro
Ketika mempertimbangkan persamaan keadaan gas ideal, mereka sering hanya mencirikan tiga hukum yang disajikan di atas dan yang merupakan kasus khusus dari persamaan ini. Namun demikian, ada hukum lain, yang biasa disebut asas Amedeo Avogadro. Ini juga merupakan kasus khusus dari persamaan gas ideal.
Pada tahun 1811, Amedeo Avogadro Italia, sebagai hasil dari banyak percobaan dengan gas yang berbeda, sampai pada kesimpulan berikut: jika tekanan dan suhu dalam sistem gas dipertahankan, maka volumenya V berbanding lurus dengan jumlahzat n. Tidak peduli apa sifat kimia zat itu. Avogadro menetapkan rasio berikut:
n / V=k4,
dimana konstanta k4 ditentukan oleh tekanan dan suhu dalam sistem.
Prinsip Avogadro kadang-kadang dirumuskan sebagai berikut: volume yang ditempati oleh 1 mol gas ideal pada suhu dan tekanan tertentu selalu sama, terlepas dari sifatnya. Ingatlah bahwa 1 mol zat adalah bilangan NA, yang mencerminkan jumlah satuan dasar (atom, molekul) yang menyusun zat tersebut (NA=6.021023).
hukum Mendeleev-Clapeyron
Sekarang saatnya kembali ke topik utama artikel. Setiap gas ideal dalam kesetimbangan dapat dijelaskan dengan persamaan berikut:
PV=nRT.
Ungkapan ini disebut hukum Mendeleev-Clapeyron - diambil dari nama para ilmuwan yang telah memberikan kontribusi besar pada perumusannya. Hukum menyatakan bahwa produk tekanan kali volume gas berbanding lurus dengan produk jumlah zat dalam gas itu dan suhunya.
Clapeyron pertama kali memperoleh hukum ini, meringkas hasil studi Boyle-Mariotte, Charles, Gay-Lussac dan Avogadro. Kelebihan Mendeleev adalah ia memberikan persamaan dasar gas ideal bentuk modern dengan memperkenalkan konstanta R. Clapeyron menggunakan seperangkat konstanta dalam formulasi matematikanya, yang membuatnya tidak nyaman untuk menggunakan hukum ini untuk memecahkan masalah praktis.
Nilai R yang diperkenalkan oleh Mendeleevdisebut konstanta gas universal. Ini menunjukkan berapa banyak pekerjaan yang dilakukan oleh 1 mol gas dari sifat kimia apa pun sebagai akibat dari ekspansi isobarik dengan peningkatan suhu sebesar 1 kelvin. Melalui konstanta Avogadro NA dan konstanta Boltzmann kB nilai ini dihitung sebagai berikut:
R=NA kB=8, 314 J/(molK).
Turunan persamaan
Kondisi termodinamika dan fisika statistik saat ini memungkinkan kita memperoleh persamaan gas ideal yang ditulis dalam paragraf sebelumnya dalam beberapa cara berbeda.
Cara pertama adalah dengan menggeneralisasi hanya dua hukum empiris: Boyle-Mariotte dan Charles. Dari generalisasi ini mengikuti bentuk:
PV / T=const.
Inilah tepatnya yang dilakukan Clapeyron di tahun 30-an abad XIX.
Cara kedua adalah dengan menjalankan ketentuan ICB. Jika kita mempertimbangkan momentum yang dipindahkan setiap partikel ketika bertabrakan dengan dinding bejana, memperhitungkan hubungan momentum ini dengan suhu, dan juga memperhitungkan jumlah partikel N dalam sistem, maka kita dapat menulis gas ideal persamaan dari teori kinetik dalam bentuk berikut:
PV=NkB T.
Dengan mengalikan dan membagi ruas kanan persamaan dengan bilangan NA, kita mendapatkan persamaan dalam bentuk yang tertulis pada paragraf di atas.
Ada cara ketiga yang lebih rumit untuk mendapatkan persamaan keadaan gas ideal - dari mekanika statistik menggunakan konsep energi bebas Helmholtz.
Menulis persamaan massa dan massa jenis gas
Gambar di atas menunjukkan persamaan gas ideal. Ini mengandung jumlah zat n. Namun, dalam praktiknya, massa variabel atau konstan dari gas ideal m sering diketahui. Dalam hal ini, persamaan akan ditulis dalam bentuk berikut:
PV=m / MRT.
M - massa molar untuk gas tertentu. Misalnya, untuk oksigen O2 adalah 32 g/mol.
Akhirnya, mengubah ekspresi terakhir, kita dapat menulis ulang seperti ini:
P=/ MRT
Di mana adalah massa jenis zat.
Campuran gas
Campuran gas ideal dijelaskan oleh apa yang disebut hukum D alton. Hukum ini mengikuti persamaan gas ideal, yang berlaku untuk setiap komponen campuran. Memang, setiap komponen menempati seluruh volume dan memiliki suhu yang sama dengan komponen campuran lainnya, yang memungkinkan kita untuk menulis:
P=iPi=RT / Vi i.
Artinya, tekanan total dalam campuran P sama dengan jumlah tekanan parsial Pi semua komponen.
