Gas, dari sudut pandang termodinamika, dijelaskan oleh seperangkat karakteristik makroskopik, yang utamanya adalah suhu, tekanan, dan volume. Keteguhan salah satu parameter ini dan perubahan dua lainnya menunjukkan bahwa satu atau lain isoproses terjadi dalam gas. Kami akan mencurahkan artikel ini untuk jawaban terperinci atas pertanyaan bahwa ini adalah proses isokhorik, bagaimana perbedaannya dari perubahan isotermal dan isobarik dalam keadaan sistem gas.
Gas ideal dalam fisika
Sebelum menjawab pertanyaan bahwa ini adalah proses isokhorik, Anda harus mengenal konsep gas ideal dengan lebih baik. Dalam fisika, itu dipahami sebagai gas apa pun di mana energi kinetik rata-rata partikel penyusunnya jauh melebihi energi potensial interaksinya, dan jarak antara partikel-partikel ini beberapa kali lipat lebih besar daripada dimensi liniernya. Di bawah kondisi yang disebutkan, adalah mungkin, saat melakukanperhitungan tidak memperhitungkan energi interaksi antar partikel (sama dengan nol), dan juga dapat diasumsikan bahwa partikel adalah titik material yang memiliki massa tertentu m.
Satu-satunya proses yang terjadi dalam gas ideal adalah tumbukan partikel dengan dinding bejana yang berisi zat tersebut. Tabrakan ini memanifestasikan dirinya dalam praktik sebagai adanya tekanan tertentu dalam gas P.
Sebagai aturan, setiap zat gas yang terdiri dari molekul yang relatif lembam secara kimia dan yang memiliki tekanan rendah dan suhu tinggi dapat dianggap sebagai gas ideal dengan akurasi yang cukup untuk perhitungan praktis.
Persamaan yang menjelaskan gas ideal
Tentu saja, kita berbicara tentang hukum universal Clapeyron-Mendeleev, yang harus dipahami dengan baik untuk memahami bahwa ini adalah proses isokhorik. Jadi, persamaan keadaan universal memiliki bentuk berikut:
PV=nRT.
Artinya, hasil kali tekanan P dan volume gas V sama dengan hasil kali suhu mutlak T dan jumlah zat dalam mol n, di mana R adalah faktor proporsionalitas. Persamaan itu sendiri pertama kali ditulis oleh Emile Clapeyron pada tahun 1834, dan pada tahun 70-an abad ke-19, D. Mendeleev menggantinya dengan satu set nilai konstanta konstanta gas universal tunggal R (8,314 J/(molK))).
Sesuai dengan persamaan Clapeyron-Mendeleev, dalam sistem tertutup jumlah partikel gas tetap, sehingga hanya ada tiga parameter makroskopik yang dapat berubah (T, Pdan V). Fakta terakhir mendasari pemahaman tentang berbagai isoproses yang akan dibahas di bawah ini.
Apa yang dimaksud dengan proses isokhorik?
Proses ini dipahami sebagai perubahan mutlak dalam status sistem, di mana volumenya dipertahankan.
Jika kita beralih ke persamaan keadaan universal, kita dapat mengatakan bahwa dalam proses isokhorik hanya perubahan tekanan dan suhu mutlak dalam gas. Untuk memahami dengan tepat bagaimana parameter termodinamika berubah, kami menulis ekspresi matematika yang sesuai:
P / T=const.
Terkadang persamaan ini diberikan dalam bentuk yang sedikit berbeda:
P1 / T1=P2 / T 2.
Kedua persamaan disebut hukum Charles setelah nama seorang ilmuwan Prancis yang pada akhir abad ke-18 memperoleh ketergantungan yang dicatat secara eksperimental.
Jika kita membuat grafik fungsi P(T), maka kita mendapatkan ketergantungan garis lurus, yang disebut isokore. Setiap isokore (untuk semua nilai n dan V) adalah garis lurus.
Deskripsi energi proses
Seperti dicatat, proses isokhorik adalah perubahan keadaan sistem yang terjadi dalam sistem tertutup tetapi tidak terisolasi. Kita berbicara tentang kemungkinan pertukaran panas antara gas dan lingkungan. Secara umum, setiap suplai kalor Q ke sistem menghasilkan dua hasil:
- mengubah energi dalam U;
- gastidak bekerja A, berkembang atau menyusut.
Inferensi terakhir ditulis secara matematis sebagai berikut:
Q=U + A.
Proses isokhorik gas ideal, menurut definisinya, tidak menyiratkan kerja yang dilakukan oleh gas, karena volumenya tetap tidak berubah. Ini berarti bahwa semua panas yang disuplai ke sistem akan meningkatkan energi internalnya:
Q=U.
Jika kita mengganti rumus eksplisit untuk energi internal ke dalam ekspresi ini, maka panas dari proses isokhorik dapat direpresentasikan sebagai:
Q=z / 2nRT.
Di sini z adalah jumlah derajat kebebasan, yang ditentukan oleh sifat poliatomik dari molekul yang membentuk gas. Untuk gas monoatomik, z=3, untuk gas diatomik - 5, dan untuk triatomik dan lebih - 6. Di sini, di bawah derajat kebebasan, yang kami maksud adalah derajat translasi dan rotasi.
Jika kita membandingkan efisiensi pemanasan sistem gas dalam proses isokhorik dan isobarik, maka dalam kasus pertama kita akan mendapatkan efisiensi maksimum, karena selama perubahan isobarik dalam keadaan sistem, gas memuai, dan sebagian dari masukan panas dihabiskan untuk melakukan pekerjaan.
proses isobarik
Di atas kami telah menjelaskan secara rinci bahwa ini adalah proses isokhorik. Sekarang katakanlah beberapa kata tentang isoproses lainnya. Mari kita mulai dengan isobarik. Berdasarkan namanya, itu dipahami sebagai transisi sistem antara keadaan pada tekanan konstan. Proses ini dijelaskan oleh hukum Gay-Lussac sebagai berikut:
V / T=const.
Seperti halnya isokor, isobar V(T) juga mewakili garis lurus pada grafik.
Untukdari setiap proses isobarik, akan lebih mudah untuk menghitung kerja yang dilakukan oleh gas, karena itu sama dengan produk tekanan konstan dan perubahan volume.
Proses isotermal
Ini adalah proses di mana suhu sistem tetap konstan. Hal ini dijelaskan oleh hukum Boyle-Mariotte untuk gas ideal. Menarik untuk dicatat bahwa ini adalah hukum gas pertama yang ditemukan secara eksperimental (paruh kedua abad ke-17). Notasi matematikanya terlihat seperti ini:
PV=const.
Proses isokhorik dan isotermal berbeda dalam representasi grafisnya, karena fungsi P(V) adalah hubungan hiperbolik, bukan linier.
Contoh penyelesaian masalah
Mari kita konsolidasikan informasi teoretis yang diberikan dalam artikel dengan penerapannya untuk memecahkan masalah praktis. Diketahui bahwa gas nitrogen murni berada dalam silinder pada tekanan 1 atmosfer dan suhu 25 °C. Setelah tabung gas dipanaskan dan diukur tekanan di dalamnya, ternyata 1,5 atmosfer. Berapa suhu gas di dalam silinder setelah dipanaskan? Berapa perubahan energi internal gas jika ada 4 mol nitrogen dalam balon.
Untuk menjawab pertanyaan pertama, kami menggunakan ekspresi berikut:
P1 / T1=P2 / T 2.
Dari mana kita mendapatkan:
T2=P2 / P1 T 1.
Dalam ungkapan ini, tekanan dapat disubstitusikan dalam satuan sembarangpengukuran, karena mereka menyusut, dan suhunya hanya dalam kelvin. Dengan mengatakan itu, kita mendapatkan:
T2=1.5 /1298.15=447.224 K.
Suhu yang dihitung dalam derajat Celcius adalah 174 °C.
Karena molekul nitrogen adalah diatomik, perubahan energi internalnya selama pemanasan dapat ditentukan sebagai berikut:
ΔU=5 / 2nRT.
Substitusi nilai yang diketahui ke dalam ekspresi ini, kita akan mendapatkan jawaban untuk pertanyaan kedua dari masalah: U=+12.4 kJ.
