Хийг термодинамикийн үүднээс авч үзвэл макроскоп шинж чанаруудаар тодорхойлогддог бөгөөд тэдгээрийн гол нь температур, даралт, эзэлхүүн юм. Эдгээр параметрүүдийн аль нэгнийх нь тогтмол байдал, нөгөө хоёрын өөрчлөлт нь хийд нэг эсвэл өөр изопроцесс явагддагийг харуулж байна. Энэ нийтлэлийг бид изохорик процесс мөн хийн системийн төлөвийн изотерм болон изобарын өөрчлөлтөөс юугаараа ялгаатай вэ гэсэн асуултуудад дэлгэрэнгүй хариулт өгөхөд зориулах болно.
Физикийн хамгийн тохиромжтой хий
Энэ изохорик процесс гэсэн асуултанд хариулахын өмнө та идеал хийн тухай ойлголтыг илүү сайн мэдэж авах хэрэгтэй. Физикийн хувьд энэ нь түүний бүрэлдэхүүн хэсгүүдийн дундаж кинетик энерги нь харилцан үйлчлэлийн боломжит энергиэс хол давсан аливаа хий гэж ойлгогддог бөгөөд эдгээр хэсгүүдийн хоорондох зай нь шугаман хэмжээсээс хэд хэдэн дарааллаар их байдаг. Тэмдэглэсэн нөхцлийн дагуу үүнийг хийх боломжтойТооцоололд бөөмс хоорондын харилцан үйлчлэлийн энергийг харгалздаггүй (энэ нь тэгтэй тэнцүү), мөн бөөмс нь тодорхой m масстай материаллаг цэгүүд гэж үзэж болно.
Идеал хийд явагддаг цорын ганц процесс бол бодис агуулсан савны хананд бөөмс мөргөлдөх явдал юм. Эдгээр мөргөлдөөн нь хийн P. тодорхой даралтаар практикт илэрдэг.
Дүрмээр бол химийн хувьд харьцангуй идэвхгүй молекулуудаас бүрдэх, бага даралт, өндөр температуртай аливаа хийн бодисыг практик тооцоо хийхэд хангалттай нарийвчлалтай хамгийн тохиромжтой хий гэж үзэж болно.
Идеал хийг дүрсэлсэн тэгшитгэл
Мэдээж бид Клапейрон-Менделеевийн бүх нийтийн хуулийн тухай ярьж байгаа бөгөөд үүнийг изохорик процесс гэдгийг ойлгохын тулд үүнийг сайн ойлгох хэрэгтэй. Тиймээс төлөвийн бүх нийтийн тэгшитгэл нь дараах хэлбэртэй байна:
PV=nRT.
Өөрөөр хэлбэл P даралт ба хийн эзэлхүүний V үржвэр нь абсолют температур T ба моль дахь бодисын хэмжээ n-ийн үржвэртэй тэнцүү бөгөөд R нь пропорциональ хүчин зүйл юм. Уг тэгшитгэлийг өөрөө анх 1834 онд Эмиль Клапейрон бичсэн бөгөөд 19-р зууны 70-аад онд Д. Менделеев түүнд нэг бүх нийтийн хийн тогтмол R (8.314 Ж/(мольК) тогтмол утгуудын багцыг сольсон.)).
Клапейрон-Менделеевийн тэгшитгэлийн дагуу хаалттай системд хийн тоосонцрын тоо тогтмол хэвээр байгаа тул макроскопийн гурван параметр өөрчлөгдөх боломжтой (T, P).ба V). Сүүлчийн баримт нь доор хэлэлцэх янз бүрийн изопроцессуудын талаархи ойлголтын үндэс юм.
Изохорик процесс гэж юу вэ?
Энэ үйл явц нь системийн төлөв байдлын бүрэн өөрчлөлт, түүний эзлэхүүн нь хадгалагдаж байгаа гэж ойлгогддог.
Хэрэв бид төлөвийн бүх нийтийн тэгшитгэл рүү хандвал изохорик процесст зөвхөн хийн даралт ба үнэмлэхүй температур өөрчлөгддөг гэж хэлж болно. Термодинамикийн параметрүүд хэрхэн өөрчлөгдөж байгааг ойлгохын тулд бид тохирох математик илэрхийллийг бичнэ:
P / T=const.
Заримдаа энэ тэгш байдлыг арай өөр хэлбэрээр өгдөг:
P1 / T1=P2 / T 2.
Тэгш хамаарлыг 18-р зууны сүүлчээр туршилтаар олж авсан Францын эрдэмтний нэрээр хоёуланг нь Чарльзын хууль гэж нэрлэдэг.
Хэрэв бид P(T) функцийн графикийг байгуулбал шулуун шугамын хамаарал гарах бөгөөд үүнийг изохор гэж нэрлэдэг. Аливаа изохор (n ба V-ийн бүх утгын хувьд) шулуун шугам байна.
Үйл явцын эрчим хүчний тодорхойлолт
Дээр дурдсанчлан изохорик процесс нь хаалттай боловч тусгаарлагдаагүй системд явагддаг системийн төлөвийн өөрчлөлт юм. Бид хий болон хүрээлэн буй орчны хооронд дулаан солилцох боломжийн талаар ярьж байна. Ерөнхийдөө системд Q дулаан нийлүүлэх нь хоёр үр дүнд хүргэдэг:
- дотоод энергийг өөрчилдөг U;
- хийӨргөтгөх эсвэл агших А ажил хийдэг.
Сүүлийн дүгнэлтийг математикийн хувьд дараах байдлаар бичнэ:
Q=U + A.
Идеал хийн изохорын процесс нь түүний тодорхойлолтоор хийн хийсэн ажлыг илэрхийлдэггүй, учир нь эзэлхүүн нь өөрчлөгдөөгүй хэвээр байна. Энэ нь системд нийлүүлсэн бүх дулаан нь түүний дотоод энергийг нэмэгдүүлэхэд зарцуулагдана гэсэн үг:
Q=U.
Хэрэв бид дотоод энергийн тодорхой томьёог энэ илэрхийлэлд орлуулбал изохорик процессын дулааныг дараах байдлаар илэрхийлж болно:
Q=z / 2nRT.
Энд z нь хийг бүрдүүлдэг молекулуудын полиатом шинж чанараар тодорхойлогддог эрх чөлөөний зэрэглэлийн тоо юм. Нэг атомт хийн хувьд z=3, хоёр атомт хийн хувьд - 5, гурвалсан ба түүнээс дээш атомт хийн хувьд - 6. Энд эрх чөлөөний зэрэглэлд бид хөрвүүлэх болон эргэлтийн градусыг хэлж байна.
Хэрэв бид изохор ба изобар процесст хийн системийг халаах үр ашгийг харьцуулж үзвэл эхний тохиолдолд бид хамгийн их үр ашгийг авах болно, учир нь системийн төлөвийн изобарын өөрчлөлтийн үед хий нь өргөжиж, дулааны зарцуулалтын нэг хэсэг нь ажил хийхэд зарцуулагддаг.
Изобарик процесс
Дээр бид энэ нь изохорик процесс гэдгийг дэлгэрэнгүй тайлбарласан. Одоо бусад изопроцессуудын талаар хэдэн үг хэлье. Изобарикаас эхэлцгээе. Нэр дээр үндэслэн энэ нь тогтмол даралттай мужуудын хооронд системийн шилжилт гэж ойлгогддог. Энэ үйл явцыг Гэй-Люссакийн хуулиар дараах байдлаар тодорхойлсон:
V / T=const.
Изохорын нэгэн адил V(T) изобар нь график дээрх шулуун шугамыг илэрхийлнэ.
ТиймАливаа изобар процессын хувьд хийн хийсэн ажлыг тооцоолоход тохиромжтой, учир нь энэ нь тогтмол даралт ба эзэлхүүний өөрчлөлттэй тэнцүү байна.
Изотерм процесс
Энэ нь системийн температур тогтмол байх процесс юм. Үүнийг Бойл-Мариоттын хуулиар хамгийн тохиромжтой хий гэж тодорхойлдог. Энэ бол анхны туршилтаар нээсэн хийн хууль (17-р зууны хоёрдугаар хагас) гэдгийг тэмдэглэх нь сонирхолтой юм. Түүний математик тэмдэглэгээ нь дараах байдалтай байна:
PV=const.
Изохор болон изотерм процессууд нь график дүрслэлээрээ ялгаатай, учир нь P(V) функц нь шугаман хамаарал биш гипербол юм.
Асуудлыг шийдвэрлэх жишээ
Өгүүлэлд өгөгдсөн онолын мэдээллийг тэдгээрийн хэрэглээгээр нэгтгэн практик асуудлыг шийдвэрлэхээр үзье. Цэвэр хийн азот нь 1 атмосферийн даралт, 25 ° C температурт цилиндрт байсан гэдгийг мэддэг. Хийн цилиндрийг халааж, доторх даралтыг хэмжсэний дараа 1.5 атмосфер болж хувирав. Халаалтын дараа цилиндр дэх хийн температур ямар байх вэ? Бөмбөлөгт 4 моль азот байсан бол хийн дотоод энерги ямар хэмжээгээр өөрчлөгдсөн бэ.
Эхний асуултанд хариулахын тулд бид дараах илэрхийллийг ашиглана:
P1 / T1=P2 / T 2.
Бид хаанаас авдаг вэ:
T2=P2 / P1 T 1.
Энэ илэрхийлэлд даралтыг дурын нэгжээр сольж болнохэмжилтүүд, учир нь тэдгээр нь багасч байгаа бөгөөд температур нь зөвхөн Келвинээр байна. Үүнийг хэлснээр бид дараахыг авна:
T2=1.5 /1298.15=447.224 К.
Цельсийн хэмээр тооцоолсон температур 174 °C.
Азотын молекул нь хоёр атомт байдаг тул халаах явцад түүний дотоод энергийн өөрчлөлтийг дараах байдлаар тодорхойлж болно:
ΔU=5 / 2nRΔT.
Мэдэгдэж буй утгуудыг энэ илэрхийлэлд орлуулснаар бид асуудлын хоёр дахь асуултын хариултыг авах болно: ΔU=+12.4 кЖ.
