Fenomena dan proses alam di sekitar kita cukup kompleks. Untuk deskripsi fisik yang tepat, peralatan matematika yang rumit harus digunakan dan sejumlah besar faktor signifikan harus diperhitungkan. Untuk menghindari masalah ini, beberapa model yang disederhanakan digunakan dalam fisika, yang sangat memudahkan analisis matematis dari proses tersebut, tetapi secara praktis tidak mempengaruhi keakuratan deskripsinya. Salah satunya adalah model gas ideal. Mari kita pertimbangkan lebih detail di artikel.
Konsep gas ideal
Gas ideal adalah keadaan agregasi suatu zat, yang terdiri dari titik-titik material yang tidak berinteraksi satu sama lain. Mari kita jelaskan definisi ini secara lebih rinci.
Pertama, kita berbicara tentang titik material sebagai objek yang membentuk gas ideal. Artinya molekul dan atomnya tidak memiliki ukuran, tetapi memiliki massa tertentu. Ini beraniperkiraan dapat dibuat dengan mempertimbangkan fakta bahwa dalam semua gas nyata pada tekanan rendah dan suhu tinggi, jarak antar molekul jauh lebih besar daripada dimensi liniernya.
Kedua, molekul dalam gas ideal tidak boleh berinteraksi satu sama lain. Pada kenyataannya, interaksi seperti itu selalu ada. Jadi, bahkan atom gas mulia pun mengalami gaya tarik dipol-dipol. Dengan kata lain, ada interaksi van der Waals. Namun, dibandingkan dengan energi kinetik rotasi dan gerakan translasi molekul, interaksi ini sangat kecil sehingga tidak mempengaruhi sifat gas. Oleh karena itu, mereka tidak dapat dipertimbangkan ketika memecahkan masalah praktis.
Penting untuk dicatat bahwa tidak semua gas yang densitasnya rendah dan suhunya tinggi dapat dianggap ideal. Selain interaksi van der Waals, ada jenis ikatan lain yang lebih kuat, misalnya ikatan hidrogen antara molekul H2O, yang menyebabkan pelanggaran berat terhadap kondisi idealitas gas. Oleh karena itu, uap air bukanlah gas ideal, melainkan udara.
Model fisika gas ideal
Model ini dapat direpresentasikan sebagai berikut: misalkan sistem gas mengandung N partikel. Ini bisa berupa atom dan molekul dari berbagai bahan kimia dan elemen. Jumlah partikel N besar, sehingga satuan "mol" biasanya digunakan untuk menggambarkannya (1 mol sesuai dengan bilangan Avogadro). Mereka semua bergerak dalam beberapa volume V. Gerakan partikelkacau dan independen satu sama lain. Masing-masing dari mereka memiliki kecepatan v tertentu dan bergerak di sepanjang jalan yang lurus.
Secara teoritis, peluang tumbukan antar partikel hampir nol, karena ukurannya kecil dibandingkan dengan jarak antar partikel. Namun, jika tumbukan seperti itu terjadi, maka tumbukan tersebut benar-benar lenting. Dalam kasus terakhir, momentum total partikel dan energi kinetiknya kekal.
Model gas ideal yang dipertimbangkan adalah sistem klasik dengan sejumlah besar elemen. Oleh karena itu, kecepatan dan energi partikel di dalamnya mematuhi distribusi statistik Maxwell-Boltzmann. Beberapa partikel memiliki kecepatan rendah, sementara yang lain memiliki kecepatan tinggi. Dalam hal ini, ada batas kecepatan sempit tertentu, di mana nilai yang paling mungkin dari kuantitas ini berada. Distribusi kecepatan molekul nitrogen ditunjukkan secara skematis di bawah ini.
Teori kinetik gas
Model gas ideal yang dijelaskan di atas secara unik menentukan sifat-sifat gas. Model ini pertama kali diusulkan oleh Daniel Bernoulli pada tahun 1738.
Selanjutnya, dikembangkan ke keadaan sekarang oleh August Kroenig, Rudolf Clausius, Mikhail Lomonosov, James Maxwell, Ludwig Boltzmann, Marian Smoluchowski dan ilmuwan lainnya.
Teori kinetik zat fluida, yang menjadi dasar pembuatan model gas ideal, menjelaskan dua sifat makroskopik penting dari sistem berdasarkan perilaku mikroskopisnya:
- Tekanan dalam gas adalah hasil tumbukan partikel dengan dinding bejana.
- Suhu dalam sistem adalah hasil manifestasi dari pergerakan konstan molekul dan atom.
Mari kita kembangkan kedua kesimpulan dari teori kinetik.
Tekanan gas
Model gas ideal mengasumsikan gerakan konstan partikel dalam sistem dan tumbukan konstan mereka dengan dinding bejana. Setiap tumbukan tersebut dianggap benar-benar elastis. Massa partikelnya kecil (≈10-27-10-25 kg). Oleh karena itu, tidak dapat membuat banyak tekanan dalam tabrakan. Namun demikian, jumlah partikel, dan karenanya jumlah tumbukan, sangat besar (≈1023). Selain itu, kecepatan kuadrat rata-rata akar elemen adalah beberapa ratus meter per detik pada suhu kamar. Semua ini mengarah pada penciptaan tekanan yang cukup besar pada dinding kapal. Itu dapat dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
P=Nmvcp2 / (3V), di mana vcp adalah kecepatan kuadrat rata-rata akar, m adalah massa partikel.
Suhu mutlak
Menurut model gas ideal, suhu ditentukan secara unik oleh energi kinetik rata-rata molekul atau atom dalam sistem yang dipelajari. Anda dapat menulis ekspresi berikut yang menghubungkan energi kinetik dan suhu mutlak untuk gas ideal:
mvcp2 / 2=3 / 2kB T.
Di sini kB adalah konstanta Boltzmann. Dari persamaan ini kita peroleh:
T=m vcp2 / (3kB).
Persamaan keadaan universal
Jika kita menggabungkan ekspresi di atas untuk tekanan absolut P dan suhu absolut T, kita dapat menulis persamaan berikut:
PV=nRT.
Di sini n adalah jumlah zat dalam mol, R adalah konstanta gas yang diperkenalkan oleh D. I. Mendeleev. Persamaan ini adalah persamaan yang paling penting dalam teori gas ideal, karena menggabungkan tiga parameter termodinamika (V, P, T) dan tidak bergantung pada karakteristik kimia sistem gas.
Persamaan universal pertama kali diturunkan secara eksperimental oleh fisikawan Prancis Emile Clapeyron pada abad ke-19 dan kemudian dibawa ke bentuk modernnya oleh ahli kimia Rusia Mendeleev, itulah sebabnya persamaan tersebut saat ini menyandang nama para ilmuwan ini.
