Хийн системийн термодинамикийг судлах гол сэдэв нь термодинамик төлөвийн өөрчлөлт юм. Ийм өөрчлөлтийн үр дүнд хий нь ажил хийж, дотоод энергийг хуримтлуулж чаддаг. Доорх нийтлэлд хамгийн тохиромжтой хий дэх янз бүрийн термодинамик шилжилтийг авч үзье. Изотерм процессын графикийг судлахад онцгой анхаарал хандуулах болно.
Хамгийн тохиромжтой хий
Нэрнээс нь харахад 100% идеал хий байгальд байдаггүй гэж хэлж болно. Гэсэн хэдий ч олон бодит бодисууд энэ ойлголтыг практик нарийвчлалтайгаар хангаж өгдөг.
Бөөмс болон тэдгээрийн хэмжээ хоорондын харилцан үйлчлэлийг үл тоомсорлож болох аливаа хий нь хамгийн тохиромжтой хий юм. Зөвхөн молекулуудын кинетик энерги нь тэдгээрийн хоорондох холбоосын потенциал энергиэс их байх ба молекулуудын хоорондох зай нь бөөмийн хэмжээнээс хамаагүй их байх тохиолдолд л хоёр нөхцөл хангана.
Аль нь болохыг тодорхойлохХэрэв судалж буй хий нь хамгийн тохиромжтой бол та энгийн дүрмийг ашиглаж болно: хэрэв систем дэх температур нь өрөөний температураас дээш байвал даралт нь атмосферийн даралтаас тийм ч их ялгаатай биш эсвэл түүнээс бага, мөн системийг бүрдүүлдэг молекулууд. химийн хувьд идэвхгүй бол хий нь хамгийн тохиромжтой байх болно.
Үндсэн хууль
Бид идеал хийн тэгшитгэлийн тухай ярьж байгаа бөгөөд үүнийг Клапейрон-Менделеевийн хууль ч гэж нэрлэдэг. Энэ тэгшитгэлийг XIX зууны 30-аад онд Францын инженер, физикч Эмиль Клапейрон бичсэн. Хэдэн арван жилийн дараа Оросын химич Менделеев үүнийг орчин үеийн хэлбэрт оруулжээ. Энэ тэгшитгэл дараах байдалтай байна:
PV=nRT.
Тэгшитгэлийн зүүн талд P даралт ба V эзэлхүүний үржвэр, баруун талд T температурын үржвэр ба n бодисын хэмжээ байна. R нь бүх нийтийн хийн тогтмол юм. T нь Кельвинээр хэмжигддэг үнэмлэхүй температур гэдгийг анхаарна уу.
Клапейрон-Менделеевийн хуулийг өмнөх хийн хуулиудын үр дүнгээс анх олж авсан, өөрөөр хэлбэл зөвхөн туршилтын суурь дээр үндэслэсэн болно. Орчин үеийн физик болон шингэний кинетик онолыг хөгжүүлснээр системийн хэсгүүдийн микроскопийн үйлдлийг харгалзан үзээд хамгийн тохиромжтой хийн тэгшитгэлийг гаргаж болно.
Изотерм процесс
Энэ үйл явц нь хий, шингэн эсвэл хатуу биетэд явагдахаас үл хамааран маш тодорхой тодорхойлолттой. Изотермийн шилжилт нь системийн температурын хоёр төлөвт шилжих шилжилт юмхадгалагдсан, өөрөөр хэлбэл өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Иймд цаг хугацааны (x тэнхлэг) - температурын (y тэнхлэг) тэнхлэг дэх изотермийн процессын график нь хэвтээ шугам болно.
Идеал хийн тухайд бид түүний изотермаль шилжилтийг Бойль-Мариотын хууль гэж нэрлэдэг болохыг тэмдэглэж байна. Энэ хуулийг туршилтаар олж мэдсэн. Түүгээр ч барахгүй тэрээр энэ чиглэлээр анхдагч болсон (17-р зууны хоёрдугаар хагас). Тогтмол температурт (T=const) хаалттай систем дэх хийн үйл ажиллагааг (n=const) авч үзвэл оюутан бүр үүнийг олж авах боломжтой. Төлөвийн тэгшитгэлийг ашиглан бид дараахийг авна:
nRT=const=>
PV=const.
Сүүлчийн тэгш байдал нь Бойл-Мариотын хууль юм. Физикийн сурах бичгүүдээс та үүнийг бичих ийм хэлбэрийг олж болно:
P1 V1=P2 V 2.
Изотермийн 1-р төлөвөөс термодинамик 2-р төлөвт шилжих үед битүү хийн системийн хувьд эзэлхүүн ба даралтын үржвэр тогтмол хэвээр байна.
Судалсан хууль нь P ба V-ийн утгуудын урвуу пропорциональ байдлын тухай өгүүлдэг:
P=const / V.
Энэ нь идеал хийн изотермаль процессын график нь гиперболын муруй болно гэсэн үг юм. Гурван гиперболыг доорх зурагт үзүүлэв.
Тэдгээрийг тус бүрийг изотерм гэж нэрлэдэг. Систем дэх температур өндөр байх тусам изотерм нь координатын тэнхлэгээс хол байх болно. Дээрх зургаас харахад ногоон нь системийн хамгийн өндөр температурт, цэнхэр нь хамгийн бага температуртай тохирч байна гэж дүгнэж болно.системүүд нь адилхан. Хэрэв зураг дээрх бүх изотермууд ижил температурт баригдсан бол энэ нь ногоон муруй нь бодисын хэмжээгээр хамгийн том системтэй тохирч байна гэсэн үг юм.
Изотермийн процессын дотоод энергийн өөрчлөлт
Идеал хийн физикт дотоод энергийг молекулуудын эргэлт ба хөрвүүлэх хөдөлгөөнтэй холбоотой кинетик энерги гэж ойлгодог. Кинетик онолоос дотоод энергийн U дараах томъёог олоход хялбар байдаг:
U=z / 2nRT.
Энд z нь молекулуудын чөлөөт хөдөлгөөний градусын тоо юм. Энэ нь 3 (монатомын хий)-ээс 6 (олон атомт молекул) хооронд хэлбэлздэг.
Изотерм процессын хувьд температур тогтмол хэвээр байх бөгөөд энэ нь дотоод энерги өөрчлөгдөх цорын ганц шалтгаан нь бодисын бөөмс гарах эсвэл системд орох явдал юм. Иймээс хаалттай системд төлөвийн изотерм өөрчлөлтийн үед дотоод энерги хадгалагдана.
Изобар ба изохорик процесс
Бойл-Мариоттын хуулиас гадна туршилтаар нээсэн өөр хоёр үндсэн хийн хууль бий. Тэд Францын Чарльз, Гэй-Люссак нарын нэрийг авсан. Математикийн хувьд тэдгээрийг дараах байдлаар бичсэн:
V / T=const үед P=const;
P / T=const үед V=const.
Чарльзын хуулинд изобар процессын үед (P=const) эзэлхүүн нь үнэмлэхүй температураас шугаман хамааралтай байдаг. Гей-Люссакийн хууль нь изохорик дахь даралт ба үнэмлэхүй температурын хоорондох шугаман хамаарлыг харуулдагшилжилт (V=const).
Өгөгдсөн тэгшитгэлээс харахад изобар ба изохорик шилжилтийн графикууд изотерм процессоос эрс ялгаатай байна. Хэрэв изотерм нь гиперболын хэлбэртэй бол изобар ба изохор нь шулуун шугам болно.
Изобарик-изотермаль процесс
Хийн хуулиудыг авч үзэхдээ T, P, V-ийн утгаас гадна Клапейрон-Менделеевийн хуулийн n-ийн утга ч өөрчлөгдөж болно гэдгийг заримдаа мартдаг. Хэрэв бид даралт ба температурыг засвал изобар-изотермийн шилжилтийн тэгшитгэлийг авна:
n / V=const үед T=const, P=const.
Бодисын хэмжээ ба эзэлхүүний хоорондох шугаман хамаарлаас харахад ижил нөхцөлд ижил хэмжээний бодис агуулсан өөр өөр хий ижил эзэлхүүнийг эзэлдэг. Жишээлбэл, хэвийн нөхцөлд (0 oC, 1 атмосфер) аливаа хийн молийн хэмжээ 22.4 литр байна. Энэ хуулийг Авогадрогийн зарчим гэж нэрлэдэг. Энэ нь хамгийн тохиромжтой хийн хольцын тухай Далтоны хуулийг үндэслэдэг.
