Masalah utama mempelajari termodinamika sistem gas adalah perubahan keadaan termodinamika. Sebagai hasil dari perubahan tersebut, gas dapat melakukan kerja dan menyimpan energi internal. Mari kita pelajari dalam artikel di bawah transisi termodinamika yang berbeda dalam gas ideal. Perhatian khusus akan diberikan untuk mempelajari grafik proses isotermal.
Gas ideal
Dilihat dari namanya, kita dapat mengatakan bahwa 100% gas ideal tidak ada di alam. Namun, banyak zat nyata memenuhi konsep ini dengan akurasi praktis.
Gas ideal adalah gas yang interaksi antara partikelnya dan ukurannya dapat diabaikan. Kedua kondisi terpenuhi hanya jika energi kinetik molekul akan jauh lebih besar daripada energi potensial ikatan di antara mereka, dan jarak antar molekul akan jauh lebih besar daripada ukuran partikel.
Untuk menentukan yang manaJika gas yang diteliti ideal, Anda dapat menggunakan aturan praktis sederhana: jika suhu dalam sistem di atas suhu kamar, tekanannya tidak jauh berbeda dari tekanan atmosfer atau kurang dari itu, dan molekul yang membentuk sistem secara kimiawi inert, maka gas akan ideal.
Hukum Utama
Kita berbicara tentang persamaan gas ideal, yang juga disebut hukum Clapeyron-Mendeleev. Persamaan ini ditulis pada tahun 30-an abad XIX oleh insinyur dan fisikawan Prancis Emile Clapeyron. Beberapa dekade kemudian, ahli kimia Rusia Mendeleev membawanya ke bentuk modernnya. Persamaan ini terlihat seperti ini:
PV=nRT.
Di sisi kiri persamaan adalah produk dari tekanan P dan volume V, di sisi kanan persamaan adalah produk dari suhu T dan jumlah zat n. R adalah konstanta gas universal. Perhatikan bahwa T adalah suhu mutlak, yang diukur dalam Kelvin.
Hukum Clapeyron-Mendeleev pertama kali diperoleh dari hasil hukum gas sebelumnya, yaitu hanya didasarkan pada basis eksperimental. Dengan perkembangan fisika modern dan teori kinetik fluida, persamaan gas ideal dapat diturunkan dengan mempertimbangkan perilaku mikroskopis partikel sistem.
Proses isotermal
Terlepas dari apakah proses ini terjadi dalam gas, cairan atau padatan, proses ini memiliki definisi yang sangat jelas. Transisi isotermal adalah transisi antara dua keadaan di mana suhu sistemdipertahankan, yaitu tetap tidak berubah. Oleh karena itu, grafik proses isotermal pada sumbu waktu (sumbu x) - suhu (sumbu y) akan berbentuk garis mendatar.
Mengenai gas ideal, kita perhatikan bahwa transisi isotermalnya disebut hukum Boyle-Mariotte. Hukum ini ditemukan secara eksperimental. Selain itu, ia menjadi yang pertama di daerah ini (paruh kedua abad ke-17). Itu dapat diperoleh oleh setiap siswa jika dia mempertimbangkan perilaku gas dalam sistem tertutup (n=konstan) pada suhu konstan (T=konstan). Menggunakan persamaan keadaan, kita mendapatkan:
nRT=const=>
PV=const.
Persamaan terakhir adalah hukum Boyle-Mariotte. Dalam buku teks fisika, Anda juga dapat menemukan bentuk penulisannya:
P1 V1=P2 V 2.
Selama transisi dari keadaan isotermal 1 ke keadaan termodinamika 2, produk volume dan tekanan tetap konstan untuk sistem gas tertutup.
Hukum yang dipelajari berbicara tentang proporsionalitas terbalik antara nilai P dan V:
P=const / V.
Artinya grafik proses isotermal pada gas ideal akan berupa kurva hiperbola. Tiga hiperbola ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Masing-masing disebut isoterm. Semakin tinggi suhu dalam sistem, semakin jauh dari sumbu koordinat isotermnya. Dari gambar di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa hijau sesuai dengan suhu tertinggi dalam sistem, dan biru ke terendah, asalkan jumlah zat dalam ketiganyasistem adalah sama. Jika semua isoterm pada gambar dibangun untuk suhu yang sama, maka ini berarti bahwa kurva hijau sesuai dengan sistem terbesar dalam hal jumlah zat.
Perubahan energi internal selama proses isotermal
Dalam fisika gas ideal, energi internal dipahami sebagai energi kinetik yang terkait dengan gerakan rotasi dan translasi molekul. Dari teori kinetik mudah untuk mendapatkan rumus berikut untuk energi internal U:
U=z / 2nRT.
Di mana z adalah jumlah derajat pergerakan bebas molekul. Ini berkisar dari 3 (gas monoatomik) hingga 6 (molekul poliatomik).
Dalam kasus proses isotermal, suhu tetap konstan, yang berarti bahwa satu-satunya alasan untuk perubahan energi internal adalah keluar atau masuknya partikel materi ke dalam sistem. Jadi, dalam sistem tertutup, selama perubahan isotermal dalam keadaannya, energi internal kekal.
Proses isobarik dan isokhorik
Selain hukum Boyle-Mariotte, ada dua hukum gas dasar yang juga ditemukan secara eksperimental. Mereka menyandang nama Charles Prancis dan Gay-Lussac. Secara matematis, mereka ditulis seperti ini:
V / T=const ketika P=const;
P / T=const ketika V=const.
Hukum Charles mengatakan bahwa selama proses isobarik (P=konstan) volume bergantung secara linier pada suhu mutlak. Hukum Gay-Lussac menunjukkan hubungan linier antara tekanan dan suhu mutlak pada isokhoriktransisi (V=const).
Dari persamaan yang diberikan dapat disimpulkan bahwa grafik transisi isobarik dan isokhorik berbeda secara signifikan dari proses isotermal. Jika isoterm berbentuk hiperbola, maka isobar dan isokor adalah garis lurus.
Proses isobarik-isotermal
Ketika mempertimbangkan hukum gas, terkadang dilupakan bahwa, selain nilai T, P dan V, nilai n dalam hukum Clapeyron-Mendeleev juga dapat berubah. Jika kita memperbaiki tekanan dan suhu, maka kita mendapatkan persamaan transisi isobarik-isotermal:
n / V=const ketika T=const, P=const.
Hubungan linier antara jumlah zat dan volume menunjukkan bahwa dalam kondisi yang sama, gas berbeda yang mengandung jumlah zat yang sama menempati volume yang sama. Sebagai contoh, dalam kondisi normal (0 oC, 1 atmosfer), volume molar gas apapun adalah 22,4 liter. Hukum yang dipertimbangkan disebut prinsip Avogadro. Ini mendasari hukum D alton tentang campuran gas ideal.
