الثاني عشر. حالات المادة بخار الحديد والهواء الصلب أليس هذا مزيج غريب من الكلمات؟ ومع ذلك، هذا ليس هراء على الإطلاق: بخار الحديد والهواء الصلب موجودان في الطبيعة، ولكن ليس في الظروف العادية، ما هي الظروف التي نتحدث عنها؟ يتم تحديد حالة المادة

ضغط الغاز ينشأ نتيجة اصطدام الجزيئات بجدران وعاء (وعلى جسم موضوع في غاز) توجد فيه جزيئات غازية تتحرك بشكل عشوائي. كلما كانت الضربات أكثر تكرارا، كلما كانت أقوى - كلما زاد الضغط. إذا كانت كتلة الغاز وحجمه ثابتين، فإن ضغطه في وعاء مغلق يعتمد كليًا على درجة الحرارة. يعتمد الضغط أيضًا على سرعة جزيئات الغاز المتحركة للأمام. وحدة الضغط هي باسكال ص (باسكال) . يتم قياس ضغط الغاز بمقياس الضغط (السائل والمعدني والكهربائي).

غاز مثالي هو نموذج للغاز الحقيقي. يعتبر الغاز الموجود في الوعاء غازًا مثاليًا عندما لا يتعرض الجزيء الذي يطير من جدار إلى جدار الوعاء إلى تصادمات مع جزيئات أخرى. بتعبير أدق، الغاز المثالي هو الغاز الذي يكون التفاعل بين جزيئاته ضئيلا ه إلى >> ه ص.

معادلة MKT الأساسية يتعلق المعلمات العيانية (الضغط ص ، مقدار الخامس ، درجة حرارة ت ، وزن م ) نظام الغاز مع المعلمات المجهرية (كتلة الجزيئات، متوسط ​​سرعة حركتها):

أين ن - تركيز، 1/م3; م — الكتلة الجزيئية، كجم؛ - جذر متوسط ​​مربع سرعة الجزيئات، آنسة.

معادلة الغاز المثالي للحالة- صيغة إقامة العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة المطلقةالغاز المثالي، الذي يميز حالة نظام غاز معين. —معادلة مندليف-كلابيرون (للكتلة التعسفية من الغاز). R = 8.31 جول/مول ك — ثابت الغاز العالمي. الكهروضوئية = ر.ت – (لمدة 1 مول).

غالبًا ما يكون من الضروري التحقيق في الموقف الذي تتغير فيه حالة الغاز بينما تظل كميته دون تغيير ( م = ثابت ) وفي غياب التفاعلات الكيميائية ( م = ثابت ). وهذا يعني أن كمية المادة ν=const . ثم:

بالنسبة لكتلة ثابتة من الغاز المثالي، تكون نسبة حاصل ضرب الضغط والحجم إلى درجة الحرارة المطلقة في حالة معينة قيمة ثابتة: — معادلة كلابيرون.

عملية الديناميكا الحرارية (أو ببساطة المعالجة) هو التغير في حالة الغاز مع مرور الوقت.أثناء العملية الديناميكية الحرارية، تتغير قيم المعلمات العيانية - الضغط والحجم ودرجة الحرارة.ذات أهمية خاصة هي العمليات المتساوية -العمليات الديناميكية الحرارية التي تظل فيها قيمة أحد المعلمات العيانية دون تغيير.تحديد كل من المعلمات الثلاث على التوالي، نحصل على ر ثلاثة أنواع من العمليات المتساوية.

المعادلة الأخيرة تسمى قانون الغاز الموحد. التي تجعل قوانين بويل - ماريوت وتشارلز وجاي لوساك.تسمى هذه القوانين بقوانين العمليات المتساوية:

العمليات المتساوية - هذه هي العمليات التي تحدث عند نفس المعلمة أو درجة الحرارة T أو الحجم V أو الضغط p.

عملية متساوية الحرارة— - قانون بويل ماريوت (عند درجة حرارة ثابتة وكتلة معينة من الغاز، يكون حاصل ضرب الضغط والحجم قيمة ثابتة)

عملية ايزوباريك — - قانون

معادلة مندليف-كلابيرون هي معادلة الحالة للغاز المثالي، ويشار إليها بـ 1 مول من الغاز. في عام 1874، قام د.آي.مندلييف، استنادًا إلى معادلة كلابيرون، ودمجها مع قانون أفوجادرو، باستخدام الحجم المولي V m وربطه بـ 1 مول، باشتقاق معادلة الحالة لـ 1 مول من الغاز المثالي:

الكهروضوئية = الرايت، أين ر- ثابت الغاز العالمي،

R = 8.31 J/(mol. K)

توضح معادلة Clapeyron-Mendeleev أنه بالنسبة لكتلة معينة من الغاز، من الممكن تغيير ثلاثة عوامل تميز حالة الغاز المثالي في وقت واحد. بالنسبة للكتلة التعسفية للغاز M، كتلته المولية هي m: الكهروضوئية = (م / م) . ر.ت. أو الكهروضوئية = N A كيلو طن,

حيث N A هو عدد أفوجادرو، وk هو ثابت بولتزمان.

اشتقاق المعادلة:

باستخدام معادلة حالة الغاز المثالي، يمكن دراسة العمليات التي تظل فيها كتلة الغاز وأحد العوامل - الضغط أو الحجم أو درجة الحرارة - ثابتين، ولا يتغير إلا العاملان الآخران، ويتم الحصول نظريًا على قوانين الغاز لهذه ظروف التغير في حالة الغاز.

عملية ايزوباريك- عملية تغيير حالة النظام عند ضغط ثابت. بالنسبة لغاز له كتلة معينة، تظل نسبة حجم الغاز إلى درجة حرارته ثابتة إذا لم يتغير ضغط الغاز. هذا قانون جاي-لوساك.وفقًا لقانون جاي-لوساك، يتناسب حجم الغاز بشكل مباشر مع درجة حرارته: V/T=const. بيانياً، يتم تصوير هذا الاعتماد في إحداثيات V-T كخط مستقيم يمتد من النقطة T=0. ويسمى هذا الخط المستقيم إيزوبار. الضغوط المختلفة تتوافق مع الأيزوبارات المختلفة. لا يتم ملاحظة قانون جاي لوساك في المنطقة ذات درجات الحرارة المنخفضة القريبة من درجة حرارة تسييل (تكثيف) الغازات.

عملية متساوية- عملية تغيير حالة النظام بحجم ثابت. بالنسبة لكتلة معينة من الغاز، تظل نسبة ضغط الغاز إلى درجة حرارته ثابتة إذا لم يتغير حجم الغاز. هذا هو قانون الغاز لتشارلز. وفقا لقانون تشارلز، فإن ضغط الغاز يتناسب طرديا مع درجة حرارته: P/T=const. بيانياً، يتم تصوير هذا الاعتماد في إحداثيات PT كخط مستقيم يمتد من النقطة T=0. ويسمى هذا الخط المستقيم isochore. تتوافق الأيزوشورات المختلفة مع أحجام مختلفة. لا يتم ملاحظة قانون شارل في المنطقة ذات درجات الحرارة المنخفضة القريبة من درجة حرارة تسييل (تكثيف) الغازات.

إذن من القانون pV = (M/m). تستمد RT القوانين التالية:

ت = مقدار ثابت=> الكهروضوئية = مقدار ثابت- قانون بويل - ماريوتا.

p = const => V/T = const- قانون جاي لوساك.

إذا كان الغاز المثالي عبارة عن خليط من عدة غازات، فوفقًا لقانون دالتون، فإن ضغط خليط الغازات المثالية يساوي مجموع الضغوط الجزئية للغازات الداخلة إليه. الضغط الجزئي هو الضغط الذي ينتجه الغاز إذا احتل وحده الحجم الكامل المساو لحجم الخليط.

قد يكون البعض مهتمًا بمسألة كيف يمكن تحديد ثابت أفوجادرو N A = 6.02·10 23؟ تم تحديد قيمة رقم أفوجادرو تجريبيًا فقط في نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين. دعونا تصف واحدة من هذه التجارب.

تم وضع عينة من عنصر الراديوم تزن 0.5 جم في وعاء حجمه V = 30 مل، وتم إخلاؤها في فراغ عميق وحفظها هناك لمدة عام واحد. ومن المعروف أن 1 جرام من الراديوم يصدر 3.71010 جسيمات ألفا في الثانية. هذه الجسيمات هي نوى الهيليوم، والتي تستقبل الإلكترونات على الفور من جدران الوعاء وتتحول إلى ذرات الهيليوم. وعلى مدار عام، ارتفع الضغط في الوعاء إلى 7.95·10 -4 ضغط جوي (عند درجة حرارة 27 درجة مئوية). يمكن إهمال التغير في كتلة الراديوم خلال عام. إذًا، ما الذي يساوي N A؟

أولاً، دعونا نكتشف عدد جسيمات ألفا (أي ذرات الهيليوم) التي تشكلت في عام واحد. دعنا نشير إلى هذا الرقم كذرات N:

ن = 3.7 10 10 0.5 جم 60 ثانية 60 دقيقة 24 ساعة 365 يومًا = 5.83 10 17 ذرة.

دعونا نكتب معادلة كلابيرون-مندليف PV = ن RT ولاحظ أن عدد مولات الهيليوم ن= لا يوجد أ . من هنا:

ن أ = العلاج ببدائل النيكوتين = 5,83 . 10 17 . 0,0821 . 300 = 6,02 . 10 23

الكهروضوئية 7.95. 10-4. 3. 10 -2

في بداية القرن العشرين، كانت هذه الطريقة لتحديد ثابت أفوجادرو هي الأكثر دقة. ولكن لماذا استمرت التجربة لفترة طويلة (سنة)؟ والحقيقة هي أنه من الصعب جدًا الحصول على الراديوم. بكميته الصغيرة (0.5 جم)، ينتج عن التحلل الإشعاعي لهذا العنصر القليل جدًا من الهيليوم. وكلما قل الغاز في الوعاء المغلق، قل الضغط الناتج عنه وزاد خطأ القياس. من الواضح أنه لا يمكن تكوين كمية ملحوظة من الهيليوم من الراديوم إلا لفترة طويلة بما فيه الكفاية.

الغاز هو إحدى حالات التجمع الأربع التي يمكن أن توجد فيها المادة.

الجسيمات التي يتكون منها الغاز متحركة للغاية. إنهم يتحركون بحرية تقريبا وبشكل فوضوي، ويصطدمون بشكل دوري مع بعضهم البعض مثل كرات البلياردو. ويسمى مثل هذا الاصطدام تصادم مرن . أثناء الاصطدام، يغيرون بشكل كبير طبيعة حركتهم.

وبما أن المسافة بين الجزيئات والذرات والأيونات في المواد الغازية أكبر بكثير من أحجامها، فإن هذه الجزيئات تتفاعل مع بعضها البعض بشكل ضعيف جدا، وتكون طاقة تفاعلها المحتملة صغيرة جدا مقارنة بالطاقة الحركية.

الروابط بين الجزيئات في الغاز الحقيقي معقدة. لذلك، من الصعب أيضًا وصف اعتماد درجة حرارته وضغطه وحجمه على خصائص الجزيئات نفسها وكميتها وسرعة حركتها. ولكن يتم تبسيط المهمة إلى حد كبير إذا نظرنا إلى نموذجها الرياضي بدلاً من الغاز الحقيقي - غاز مثالي .

من المفترض أنه في نموذج الغاز المثالي لا توجد قوى تجاذب أو تنافر بين الجزيئات. كلهم يتحركون بشكل مستقل عن بعضهم البعض. ويمكن تطبيق قوانين الميكانيكا النيوتونية الكلاسيكية على كل منها. وهي تتفاعل مع بعضها البعض فقط أثناء التصادمات المرنة. وقت الاصطدام نفسه قصير جدًا مقارنة بالوقت بين الاصطدامات.

الغاز المثالي الكلاسيكي

دعونا نحاول أن نتخيل جزيئات الغاز المثالي على شكل كرات صغيرة تقع في مكعب ضخم على مسافة كبيرة من بعضها البعض. وبسبب هذه المسافة، لا يمكنهم التفاعل مع بعضهم البعض. وبالتالي، فإن طاقتهم الكامنة تساوي صفرًا. لكن هذه الكرات تتحرك بسرعة كبيرة. وهذا يعني أن لديهم طاقة حركية. عندما تصطدم ببعضها البعض وبجدران المكعب، فإنها تتصرف مثل الكرات، أي أنها ترتد بشكل مرن. وفي نفس الوقت يغيرون اتجاه حركتهم ولكن لا يغيرون سرعتهم. هذا هو تقريبًا ما تبدو عليه حركة الجزيئات في الغاز المثالي.

1. إن طاقة التفاعل بين جزيئات الغاز المثالي صغيرة جدًا بحيث يتم إهمالها مقارنة بالطاقة الحركية.
2. كما أن جزيئات الغاز المثالي صغيرة جدًا بحيث يمكن اعتبارها نقاطًا مادية. وهذا يعني أنهم الحجم الكليكما أنه لا يكاد يذكر مقارنة بحجم الوعاء الذي يوجد فيه الغاز. وهذا المجلد مهمل أيضًا.
3. متوسط ​​الوقت بين تصادمات الجزيئات أكبر بكثير من وقت تفاعلها أثناء التصادم. ولذلك، يتم إهمال وقت التفاعل أيضًا.

يأخذ الغاز دائمًا شكل الوعاء الذي يوجد فيه. تصطدم الجزيئات المتحركة ببعضها البعض وبجدران الحاوية. أثناء الاصطدام، يبذل كل جزيء بعض القوة على الجدار لفترة زمنية قصيرة جدًا. هذه هي الطريقة التي تنشأ ضغط . إجمالي ضغط الغاز هو مجموع ضغوط جميع الجزيئات.

معادلة الغاز المثالي للحالة

تتميز حالة الغاز المثالي بثلاثة عوامل: ضغط, مقدارو درجة حرارة. يتم وصف العلاقة بينهما بالمعادلة:

أين ر - ضغط،

الخامس م - الحجم المولي،

ر - ثابت الغاز العالمي،

ت - درجة الحرارة المطلقة (درجة كلفن).

لأن الخامس م = الخامس / ن , أين الخامس - مقدار، ن - كمية المادة و ن = مم ، الذي - التي

أين م - كتلة الغاز، م - الكتلة المولية. تسمى هذه المعادلة معادلة مندليف-كلابيرون .

عند الكتلة الثابتة تصبح المعادلة:

تسمى هذه المعادلة قانون الغاز الموحد .

باستخدام قانون مندليف-كليبرون، يمكن تحديد أحد معاملات الغاز إذا كان العاملان الآخران معروفين.

العمليات المتساوية

باستخدام معادلة قانون الغاز الموحد، من الممكن دراسة العمليات التي تظل فيها كتلة الغاز وأحد أهم العوامل - الضغط أو درجة الحرارة أو الحجم - ثابتة. في الفيزياء تسمى هذه العمليات isoprocesses .

من ويؤدي قانون الغاز الموحد إلى قوانين غازية أخرى مهمة: قانون بويل ماريوت, قانون جاي-لوساك, قانون تشارلز، أو قانون جاي-لوساك الثاني.

عملية متساوية الحرارة

تسمى العملية التي يتغير فيها الضغط أو الحجم مع بقاء درجة الحرارة ثابتة عملية متساوية الحرارة .

في عملية متساوية الحرارة T = ثابت، م = ثابت .

يتم وصف سلوك الغاز في عملية متساوية الحرارة بواسطة قانون بويل ماريوت . تم اكتشاف هذا القانون تجريبيا الفيزيائي الإنجليزي روبرت بويلفي عام 1662 و الفيزيائي الفرنسي إدم ماريوتفي عام 1679. علاوة على ذلك، فعلوا ذلك بشكل مستقل عن بعضهم البعض. تمت صياغة قانون بويل ماريوت على النحو التالي: في الغاز المثالي عند درجة حرارة ثابتة، يكون حاصل ضرب ضغط الغاز وحجمه ثابتًا أيضًا.

يمكن استخلاص معادلة بويل ماريوت من قانون الغاز الموحد. استبدال في الصيغة تي = ثابت , نحن نحصل

ص · الخامس = مقدار ثابت

هذا ما هو عليه قانون بويل ماريوت . ومن الصيغة يتضح ذلك إن ضغط الغاز عند درجة حرارة ثابتة يتناسب عكسيا مع حجمه. كلما زاد الضغط، انخفض الحجم، والعكس صحيح.

كيف نفسر هذه الظاهرة؟ لماذا يقل ضغط الغاز مع زيادة حجم الغاز؟

وبما أن درجة حرارة الغاز لا تتغير، فإن وتيرة اصطدام الجزيئات بجدران الوعاء لا تتغير. إذا زاد الحجم، يصبح تركيز الجزيئات أقل. وبالتالي، لكل وحدة مساحة سيكون هناك عدد أقل من الجزيئات التي تصطدم بالجدران لكل وحدة زمنية. ينخفض ​​​​الضغط. ومع انخفاض الحجم، يزيد عدد الاصطدامات، على العكس من ذلك. وبناء على ذلك، يزداد الضغط.

بيانياً، يتم عرض عملية متساوية الحرارة على مستوى منحنى، وهو ما يسمى متساوي الحرارة . لديها شكل المبالغة.

كل قيمة لدرجة الحرارة لها درجة حرارة متساوية خاصة بها. كلما ارتفعت درجة الحرارة، كلما ارتفع الأيسوثرم المقابل.

عملية ايزوباريك

تسمى عمليات تغيير درجة حرارة وحجم الغاز عند ضغط ثابت متساوى الضغط . لهذه العملية م = ثابت، P = ثابت.

كما تم إثبات اعتماد حجم الغاز على درجة حرارته عند ضغط ثابت تجريبيا الكيميائي والفيزيائي الفرنسي جوزيف لويس جاي لوساكالذي نشره عام 1802 ولهذا سمي قانون جاي-لوساك : " إلخ والضغط الثابت، فإن نسبة حجم كتلة ثابتة من الغاز إلى درجة حرارتها المطلقة هي قيمة ثابتة."

في ف = مقدار ثابت تتحول معادلة قانون الغاز الموحد إلى معادلة جاي-لوساك .

مثال على عملية متساوية الضغط هو الغاز الموجود داخل أسطوانة يتحرك فيها المكبس. ومع ارتفاع درجة الحرارة، يزداد تواتر اصطدام الجزيئات بالجدران. يزداد الضغط ويرتفع المكبس. ونتيجة لذلك، يزداد الحجم الذي يشغله الغاز في الأسطوانة.

بيانيا، يتم تمثيل عملية متساوية الضغط بخط مستقيم، وهو ما يسمى خط تساوي الضغط الجوي .

كلما زاد الضغط في الغاز، انخفض مستوى الأيزوبار المقابل على الرسم البياني.

عملية متساوية

إيزوكوريك, أو متساوي اللون, هي عملية تغيير الضغط ودرجة الحرارة للغاز المثالي عند حجم ثابت.

لعملية متساوية م = ثابت، V = ثابت.

من السهل جدًا تخيل مثل هذه العملية. يحدث في وعاء ذو ​​حجم ثابت. على سبيل المثال، في الاسطوانة، لا يتحرك المكبس، ولكنه ثابت بشكل صارم.

تم وصف العملية المتساوية قانون تشارلز : « بالنسبة لكتلة معينة من الغاز عند حجم ثابت، فإن ضغطها يتناسب طرديًا مع درجة الحرارة" أنشأ المخترع والعالم الفرنسي جاك ألكسندر سيزار تشارلز هذه العلاقة من خلال التجارب في عام 1787. وفي عام 1802، تم توضيحها من قبل جاي لوساك. ولذلك يسمى هذا القانون في بعض الأحيان القانون الثاني لجاي لوساك.

في الخامس = مقدار ثابت من معادلة قانون الغاز الموحد نحصل على المعادلة قانون تشارلز أو القانون الثاني لجاي لوساك .

عند ثبات الحجم، يزداد ضغط الغاز إذا زادت درجة حرارته. .

على الرسوم البيانية، يتم تمثيل العملية المتساوية بخط يسمى متساوي التشعب .

كلما زاد الحجم الذي يشغله الغاز، انخفض حجم الأيزوكور المقابل لهذا الحجم.

في الواقع، لا يمكن الحفاظ على أي معلمة غاز دون تغيير. لا يمكن القيام بذلك إلا في ظروف المختبر.

وبطبيعة الحال، لا يوجد غاز مثالي في الطبيعة. ولكن في الغازات النادرة الحقيقية عند درجات حرارة وضغوط منخفضة جدًا لا تزيد عن 200 ضغط جوي، تكون المسافة بين الجزيئات أكبر بكثير من أحجامها. ولذلك فإن خصائصها تقترب من خصائص الغاز المثالي.