Інформація з фізики

 Тема  уроку "Рівняння стану ідеального газу.  Ізопроцеси" 

Будь-яка зміна стану тіла (або системи тіл) називається процесом. Оскільки стан газу визначається параметрами р, V й Т, то процес у газі спричиняє зміни цих параметрів.

Ізопроцесами називаються процеси, що відбуваються в системі зі незмінною масою при сталому значенні одного із параметрів р, V й Т. Ізопроцеси підкорюються газовим законам. Газові закони було відкрито дослідними методами задовго до створення молекулярно-кінетичної теорії.

ІЗОТЕРМІЧНИЙ ПРОЦЕС

Ізотермічний процес здійснюється в ідеальному газі при сталій температурі (Т = const) й описується законом Бойля-Маріотта: для даної маси газу при незмінній температурі добуток об’єму газу на тиск є величиною сталою:

Цей закон був вперше встановлений за результатами дослідів англійського фізика і хіміка Роберта Бойля у 1662 р. Незалежно від нього у 1676 р. французький фізик, один із засновників та перших членів Паризької Академії наук Едм Маріотт на підставі багатьох дослідів, здійснених при різних тисках, вивів закон про обернену пропорційність об'єму газу та тиску. Графічна залежність між тиском й об’ємом для різних температур представляє собою рівнобічну гіперболу, яка називається ізотермою. Чим більша температура, при котрій відбувається процес, тим вище розміщується ізотерма у координатних осях р,V.

Рис. Графік ізотермічного процесу

Закон Бойля-Маріотта являється наближеним. При великих тисках і низьких температурах у реальних газів спостерігаються різкі відхилення від цього закону. Це пояснюється тим, що молекули речовини мають скінченний об’єм і взаємодіють між собою. Вперше ідею про неможливість використання закону Бойля-Маріотта до реальних газів висловив та обґрунтував Михайло Ломоносов, експериментально відхилення від закону досліджувались Дмитром Менделєєвим.

Рис. Прилад для вивчення газових законів

Для дослідної перевірки газових законів використовується спеціальний прилад. Основна частина приладу - закритий гофрований циліндр змінного обєму (сильфон) 1, який з’єднується із зовнішнім повітрям через патрубок 2, впаяний у металеву кришку 3. За допомогою гвинта 4 сильфон можна розтягувати або стискати, при цьому об’єм повітря у сильфоні змінюється пропорційно до зміни висоти сильфона. Об’єм газу вимірюється в умовних одиницях за шкалою, яка має 10 поділок. Показником при вимірюваннях об’єму є нижня поверхня кришки сильфона. Початковий об’єм сильфона 5, а кінцевий -10 умовних одиниць.

За допомогою гумової трубки сильфон з’єднується з демонстраційним манометром 5, межі вимірювання якого становлять від 0 до 1,6 атм. Ціна поділки манометра 0,05 атм, цифрові позначки нанесені через кожні 0,2 атм.

1 фізична атмосфера (атм)- це позасистемна одиниця вимірювання тиску, її зв'язок з одиницею системи СІ має вигляд: 1 атм = 101325 Па.

Перевіримо закон Бойля-Маріотта на досліді.

На початку досліду з’єднаний за допомогою гумової трубки з манометром сильфон стиснено так, щоб об’єм повітря у ньому був 6 умовних одиниць. Бачимо, що тиск повітря в сильфоні -1,25 атм.

Збільшимо об’єм повітря у сильфоні до 8 умовних одиниць. Покази манометра при цьому - 0,94 атм.

При об’ємі повітря у сильфоні 9 умовних одиниць тиск дорівнює 0,83 атм.

Одержані результати дають можливість зробити висновок, що при незмінній масі газу та сталій температурі добуток об'єму газу на тиск є величиною сталою, тобто об'єм газу обернено пропорційний до тиску.

Ізобарний процес відбувається в ідеальному газі при сталому тиску (р = const). Для ізобарного процесу справедливий закон Гей-Люссака: при сталому тиску об’єм даної маси газу прямо пропорційний його абсолютній температурі:

Закон був відкритий в 1802 р. французьким фізиком та хіміком Луї Гей-Люссаком та незалежно від нього англійським вченим Джоном Дальтоном у 1807 р.

Рис. Графік ізобарного процесу. 

Графік ізобарного процесу у координатних вісях V,Т зображається прямою, яка прямує до початку координат. Цю пряму називають ізобарою. Кут нахилу її до осі температур залежить від газового тиску: з підвищенням тиску кут нахилу зменшується. Ізобара не може бути проведена у області низьких температур, оскільки властивості газів при низьких температурах починають відхилятись від властивостей ідеальних газів.

Отже, при незмінній масі газу та сталому тиску відношення об'єму газу до його абсолютної температури величиною сталою, тобто об'єм газу прямо пропорційний абсолютній температурі.

ІЗОХОРНИЙ ПРОЦЕС

Ізохорний процес в ідеальному газі описується законом Шарля: при сталому об’ємі тиск маси газу прямо пропорційний його абсолютній температурі:

Цей закон був встановлений у 1787 р. французьким вченим та повітроплавцем Жаком Сезаром Шарлем.

Рис. Графік ізохорного процесу

У координатних осях р,Т ізохорний процес зображається прямою лінією (ізохорою), яка прямує до початку координат. Вона ілюструє залежність тиску від температури для різних об'ємів однієї й тієї ж маси газу. Ізохору не можна продовжити в область низьких температур, де закони ідеальних газів не мають застосування, тому на рисунку їх продовжено умовно - пунктиром.