Keadaan agregat materi, di mana energi kinetik partikel jauh melebihi energi potensial interaksinya, disebut gas. Fisika zat tersebut mulai dipertimbangkan di sekolah menengah. Masalah utama dalam deskripsi matematis zat cair ini adalah persamaan keadaan untuk gas ideal. Kami akan mempelajarinya secara rinci di artikel.
Gas ideal dan perbedaannya dari yang asli
Seperti yang Anda ketahui, setiap keadaan gas ditandai dengan gerakan kacau dengan kecepatan yang berbeda dari molekul dan atom penyusunnya. Dalam gas nyata, seperti udara, partikel berinteraksi satu sama lain dalam satu atau lain cara. Pada dasarnya interaksi ini bersifat van der Waals. Namun, jika suhu sistem gas tinggi (suhu kamar ke atas) dan tekanan tidak besar (sesuai dengan atmosfer), maka interaksi van der Waals sangat kecil sehingga tidakmempengaruhi perilaku makroskopik dari seluruh sistem gas. Dalam hal ini, mereka berbicara tentang ideal.
Menggabungkan informasi di atas menjadi satu definisi, kita dapat mengatakan bahwa gas ideal adalah sistem di mana tidak ada interaksi antar partikel. Partikel itu sendiri tidak berdimensi, tetapi memiliki massa tertentu, dan tumbukan partikel dengan dinding bejana bersifat elastik.
Hampir semua gas yang ditemui seseorang dalam kehidupan sehari-hari (udara, metana alami dalam kompor gas, uap air) dapat dianggap ideal dengan akurasi yang memuaskan untuk banyak masalah praktis.
Prasyarat munculnya persamaan keadaan gas ideal dalam fisika
Manusia secara aktif mempelajari keadaan materi gas dari sudut pandang ilmiah selama abad XVII-XIX. Hukum pertama yang menjelaskan proses isotermal adalah hubungan berikut antara volume sistem V dan tekanan di dalamnya P:
secara eksperimental ditemukan oleh Robert Boyle dan Edme Mariotte
PV=const, dengan T=const
Bereksperimen dengan berbagai gas di paruh kedua abad ke-17, para ilmuwan tersebut menemukan bahwa ketergantungan tekanan pada volume selalu berbentuk hiperbola.
Kemudian, pada akhir abad ke-18 - pada awal abad ke-19, ilmuwan Prancis Charles dan Gay-Lussac secara eksperimental menemukan dua hukum gas lagi yang secara matematis menggambarkan proses isobarik dan isokhorik. Kedua undang-undang tersebut tercantum di bawah ini:
- V / T=const, ketika P=const;
- P / T=const, dengan V=const.
Kedua persamaan menunjukkan proporsionalitas langsung antara volume gas dan suhu, serta antara tekanan dan suhu, sambil mempertahankan tekanan dan volume yang konstan.
Prasyarat lain untuk menyusun persamaan keadaan gas ideal adalah penemuan hubungan berikut oleh Amedeo Avagadro pada tahun 1910-an:
n / V=const, dengan T, P=const
Orang Italia secara eksperimental membuktikan bahwa jika Anda meningkatkan jumlah zat n, maka pada suhu dan tekanan konstan, volumenya akan meningkat secara linier. Hal yang paling mengejutkan adalah bahwa gas-gas yang sifatnya berbeda pada tekanan dan suhu yang sama menempati volume yang sama jika jumlahnya bertepatan.
hukum Clapeyron-Mendeleev
Pada 30-an abad ke-19, orang Prancis Emile Clapeyron menerbitkan sebuah karya di mana ia memberikan persamaan keadaan untuk gas ideal. Itu sedikit berbeda dari bentuk modern. Secara khusus, Clapeyron menggunakan konstanta tertentu yang diukur secara eksperimental oleh pendahulunya. Beberapa dekade kemudian, rekan senegaranya D. I. Mendeleev mengganti konstanta Clapeyron dengan yang tunggal - konstanta gas universal R. Akibatnya, persamaan universal memperoleh bentuk modern:
PV=nRT
Mudah ditebak bahwa ini adalah kombinasi sederhana dari rumus-rumus hukum gas yang tertulis di artikel di atas.
Konstanta R dalam ekspresi ini memiliki arti fisik yang sangat spesifik. Ini menunjukkan pekerjaan yang akan dilakukan 1 mol.gas jika memuai dengan kenaikan suhu sebesar 1 kelvin (R=8,314 J / (molK)).
Bentuk lain dari persamaan universal
Selain bentuk persamaan keadaan universal gas ideal di atas, ada persamaan keadaan yang menggunakan besaran lain. Ini dia di bawah ini:
- PV=m / MRT;
- PV=NkB T;
- P=RT / M.
Dalam persamaan ini, m adalah massa gas ideal, N adalah jumlah partikel dalam sistem, adalah kerapatan gas, M adalah nilai massa molar.
Ingat bahwa rumus yang ditulis di atas hanya berlaku jika satuan SI digunakan untuk semua besaran fisis.
Contoh soal
Setelah menerima informasi teoretis yang diperlukan, kami akan memecahkan masalah berikut. Nitrogen murni berada pada tekanan 1,5 atm. dalam sebuah tabung yang volumenya 70 liter. Penting untuk menentukan jumlah mol gas ideal dan massanya, jika diketahui bahwa itu pada suhu 50 °C.
Pertama, mari kita tuliskan semua satuan ukuran dalam SI:
1) P=1,5101325=151987,5 Pa;
2) V=7010-3=0,07 m3;
3) T=50 + 273, 15=323, 15 K.
Sekarang kita substitusikan data ini ke persamaan Clapeyron-Mendeleev, kita mendapatkan nilai jumlah zat:
n=PV / (RT)=151987,50,07 / (8,314323.15)=3,96 mol
Untuk menentukan massa nitrogen, Anda harus mengingat rumus kimianya dan melihat nilainyamassa molar dalam tabel periodik untuk elemen ini:
M(N2)=142=0,028 kg/mol.
Massa gas adalah:
m=nM=3,960,028=0,111 kg
Jadi, jumlah nitrogen dalam balon adalah 3,96 mol, massanya 111 gram.
