Mempelajari sifat dan perilaku gas ideal adalah kunci untuk memahami fisika daerah ini secara keseluruhan. Pada artikel ini, kita akan mempertimbangkan apa yang termasuk dalam konsep gas monoatomik ideal, persamaan apa yang menggambarkan keadaan dan energi internalnya. Kami juga akan memecahkan beberapa masalah tentang topik ini.
Konsep umum
Setiap siswa mengetahui bahwa gas adalah salah satu dari tiga keadaan agregat materi, yang, tidak seperti padat dan cair, tidak mempertahankan volume. Selain itu, ia juga tidak mempertahankan bentuknya dan selalu mengisi volume yang disediakan untuknya sepenuhnya. Faktanya, sifat terakhir berlaku untuk apa yang disebut gas ideal.
Konsep gas ideal erat kaitannya dengan teori kinetik molekuler (MKT). Sesuai dengan itu, partikel-partikel sistem gas bergerak secara acak ke segala arah. Kecepatan mereka mematuhi distribusi Maxwell. Partikel tidak berinteraksi satu sama lain, dan jarakantara mereka jauh melebihi ukuran mereka. Jika semua kondisi di atas terpenuhi dengan akurasi tertentu, maka gas dapat dianggap ideal.
Setiap media nyata memiliki perilaku yang mendekati ideal jika memiliki densitas rendah dan suhu absolut tinggi. Selain itu, mereka harus terdiri dari molekul atau atom yang tidak aktif secara kimia. Jadi, karena adanya interaksi hidrogen yang kuat antara molekul H2 HO, interaksi hidrogen yang kuat tidak dianggap sebagai gas ideal, tetapi udara, yang terdiri dari molekul non-polar, adalah.
hukum Clapeyron-Mendeleev
Selama analisis, dari sudut pandang MKT, perilaku gas dalam kesetimbangan, persamaan berikut dapat diperoleh, yang menghubungkan parameter termodinamika utama sistem:
PV=nRT.
Di sini tekanan, volume, dan suhu masing-masing dilambangkan dengan huruf Latin P, V, dan T. Nilai n adalah jumlah zat yang memungkinkan Anda menentukan jumlah partikel dalam sistem, R adalah konstanta gas, tidak tergantung pada sifat kimia gas. Itu sama dengan 8, 314 J / (Kmol), yaitu, setiap gas ideal dalam jumlah 1 mol ketika dipanaskan oleh 1 K, memuai, melakukan pekerjaan 8, 314 J.
Persamaan yang tercatat disebut persamaan universal keadaan Clapeyron-Mendeleev. Mengapa? Dinamakan demikian untuk menghormati fisikawan Prancis Emile Clapeyron, yang pada 30-an abad ke-19, mempelajari hukum gas eksperimental yang ditetapkan sebelumnya, menuliskannya dalam bentuk umum. Selanjutnya, Dmitri Mendeleev membawanya ke modernbentuk dengan memasukkan konstanta R.
Energi internal medium monoatomik
Gas ideal monoatomik berbeda dari gas poliatomik dalam hal partikelnya hanya memiliki tiga derajat kebebasan (gerakan translasi sepanjang tiga sumbu ruang). Fakta ini mengarah pada rumus berikut untuk energi kinetik rata-rata satu atom:
mv2 / 2=3 / 2kB T.
Kecepatan v disebut akar rata-rata kuadrat. Massa atom dan konstanta Boltzmann masing-masing dilambangkan sebagai m dan kB.
Menurut definisi energi internal, itu adalah jumlah dari komponen kinetik dan potensial. Mari kita pertimbangkan lebih detail. Karena gas ideal tidak memiliki energi potensial, energi internalnya adalah energi kinetik. Apa rumusnya? Menghitung energi semua partikel N dalam sistem, kita memperoleh ekspresi berikut untuk energi internal U dari gas monoatomik:
U=3/2nRT.
Contoh terkait
Tugas 1. Gas monoatomik ideal berpindah dari keadaan 1 ke keadaan 2. Massa gas tetap konstan (sistem tertutup). Perubahan energi internal medium perlu ditentukan jika transisinya isobarik pada tekanan yang sama dengan satu atmosfer. Volume delta tabung gas adalah tiga liter.
Mari kita tuliskan rumus untuk mengubah energi dalam U:
ΔU=3/2nRT.
Menggunakan persamaan Clapeyron-Mendeleev,ekspresi ini dapat ditulis ulang sebagai:
ΔU=3 / 2PV.
Kita mengetahui tekanan dan perubahan volume dari kondisi soal, jadi tetap menerjemahkan nilainya ke dalam SI dan mensubstitusinya ke dalam rumus:
ΔU=3/21013250,003 456 J.
Jadi, ketika gas ideal monoatomik berpindah dari keadaan 1 ke keadaan 2, energi internalnya meningkat sebesar 456 J.
Tugas 2. Sebuah gas monoatomik ideal dalam jumlah 2 mol berada dalam bejana. Setelah pemanasan isokhorik, energinya meningkat 500 J. Bagaimana suhu sistem berubah?
Mari kita tulis lagi rumus untuk mengubah nilai U:
ΔU=3/2nRT.
Darinya mudah untuk menyatakan besarnya perubahan suhu mutlak T, kita dapatkan:
ΔT=2U / (3nR).
Substitusi data untuk U dan n dari kondisi, kita mendapatkan jawaban: T=+20 K.
Penting untuk dipahami bahwa semua perhitungan di atas hanya berlaku untuk gas ideal monoatomik. Jika sistem dibentuk oleh molekul poliatomik, maka rumus untuk U tidak lagi benar. Hukum Clapeyron-Mendeleev berlaku untuk semua gas ideal.
