изопроцессы в газах что такое
Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы в газах
Газовое состояние окружающей нас материи представляет собой одну из трех распространенных форм вещества. Указанное текучее агрегатное состояние в физике принято рассматривать в приближении идеального газа. Используя это приближение, опишем в статье возможные изопроцессы в газах.
Идеальный газ и универсальное уравнение для его описания
Идеальным называют такой газ, частицы которого не имеют размеров и не взаимодействуют друг с другом. Очевидно, что не существует ни одного газа, который бы точно удовлетворял этим условиям, поскольку даже самый маленький атом – водород, обладает определенными размерами. Более того, даже между нейтральными атомами благородных газов существует слабое ван-дер-ваальсовое взаимодействие. Тогда встает вопрос: в каких случаях можно пренебречь размерами газовых частиц и взаимодействием между ними? Ответом на этот вопрос будет соблюдение следующих физико-химических условий:
Вам будет интересно: Вандербильт Консуэло: история герцогини, биография, фото
Если хотя бы одно из условий не соблюдается, то газ следует считать реальным и описывать его специальным уравнением Ван-дер-Ваальса.
Уравнение Менделеева-Клапейрона необходимо рассмотреть перед изучением изопроцессов. Уравнение идеального газа – его второе название. Оно имеет следующую форму записи:
То есть оно связывает три термодинамических параметра: давление P, температуру T и объем V, а также количество n вещества. Символом R здесь обозначена газовая постоянная величина, она равна 8,314 Дж / (К * моль).
Что такое изопроцессы в газах?
Под этими процессами понимают переходы между двумя разными состояниями газа (начальным и конечным), в результате которых сохраняются одни величины и изменяются другие. Выделяют три типа изопроцесса в газах:
Переход при постоянной температуре
Он называется изотермическим процессом. Из уравнения состояния идеального газа следует, что при постоянной абсолютной температуре в закрытой системе должно оставаться постоянным произведение объема на давление, то есть:
Эту зависимость действительно наблюдали Роберт Бойль и Эдм Мариотт во второй половине XVII века, поэтому в настоящее время записанное равенство носит их фамилии.
Функциональные зависимости P(V) или V(P), выраженные графически, имеют вид гипербол. Чем выше температура, при которой проводят изотермический эксперимент, тем больше произведение P*V.
При изотермическом процессе газ расширяется или сжимается, совершая работу и не изменяя своей внутренней энергии.
Переход при постоянном давлении
Теперь изучим изобарный процесс, во время которого давление поддерживается постоянным. Примером такого перехода является нагрев газа, находящегося под поршнем. В результате нагрева увеличивается кинетическая энергия частиц, они начинают чаще и с большей силой ударять по поршню, в результате чего газ расширяется. В процессе расширения газ выполняет некоторую работу, КПД которой составляет 40 % (для одноатомного газа).
Для этого изопроцесса уравнение состояния газа идеального говорит о том, что должно выполняться следующее соотношение:
Получить его легко, если постоянное давление перенести в правую часть уравнения Клапейрона, а температуру – в левую. Это равенство называется законом Шарля.
Равенство свидетельствует о том, что функции V(T) и T(V) имеют вид прямых линий на графиках. Наклон линии V(T) относительно оси абсцисс будет тем меньше, чем больше величина давления P.
Переход при неизменном объеме
Последним изопроцессом в газах, который мы рассмотрим в статье, является изохорный переход. Используя универсальное уравнение Клапейрона, несложно получить следующее равенство для этого перехода:
Изопроцессы в газах.
Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления (p), объема (V), температуры (T).
В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам.
Газовыми законами называются количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.
Изобарный процесс.
Изобарный (или изобарический) процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения давления (P = const). Изобарой называют линию, которая отображает изобарический процесс на графике. Этот процесс описывает закон Гей-Люссака.
Изохорный процесс.
Изохорный (или изохорический) процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения объема (V = const). Изохорой называют линию, которая отображает изохорический процесс на графике. Этот процесс описывает закон Шарля.
Изотермический процесс.
Изотермический процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения температуры (T = const). Изотермой называют линию, которая отображает изотермический процесс на графике. Этот процесс описывает закон Бойля-Мариотта.
Изоэнтропийный процесс.
Изоэнтропийный процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения энтропии (S = const). Изоэнтропийным является, например, обратимый адиабатический процесс: в таком процессе не происходит теплообмена с окружающей средой. Идеальный газ в таком процессе описывается следующим уравнением:
где γ — показатель адиабаты, определяемый типом газа.
Процессы изобарный, изохорный, изотермический и адиабатный для идеального газа
Знание определений в физике является ключевым фактором для успешного решения разных физических проблем. В статье рассмотрим, что понимают под процессами изобарным, изохорным, изотермическим и адиабатным для идеальной газовой системы.
Идеальный газ и его уравнение
Прежде чем переходить к описанию изобарного, изохорного и изотермического процессов, рассмотрим, что такое идеальный газ. Под этим определением в физике полагают систему, состоящую из огромного количества безразмерных и невзаимодействующих частиц, которые движутся с большими скоростями во всех направлениях. По сути, речь идет о газовом агрегатном состоянии вещества, в котором расстояния между атомами и молекулами намного превышают их размеры и в котором потенциальной энергией взаимодействия частиц пренебрегают ввиду ее малости, по сравнению с энергией кинетической.
Вам будет интересно: Такие обычные люди, или значение «почему бы и нет»
Состоянием идеального газа называется совокупность его термодинамических параметров. Главными из них являются температура, объем и давление. Обозначим их буквами T, V и P, соответственно. В 30-е годы XIX века Клапейрон (французский ученый) впервые записал уравнение, которое объединяет указанные термодинамические параметры в рамках единого равенства. Оно имеет вид:
Что такое изопроцессы в газах?
Как многие заметили, изобарный, изохорный и изотермический процессы в своем названии используют одну и ту же приставку «изо». Она означает равенство одного термодинамического параметра во время прохождения всего процесса, при этом остальные параметры изменяются. Например, изотермический процесс говорит о том, что в его результате абсолютная температура системы поддерживается постоянной, а изохорный процесс свидетельствует о постоянстве объема.
Изопроцессы удобно изучать, поскольку фиксация одного из термодинамических параметров приводит к упрощению общего уравнения состояния газа. Важно отметить, что газовые законы для всех названных изопроцессов были открыты экспериментально. Их анализ позволил Клапейрону получить приведенное универсальное уравнение.
Изобарный, изохорный и изотермический процессы
Первым был открыт закон для изотермического процесса в идеальном газе. Сейчас он называется законом Бойля-Мариотта. Поскольку T не изменяется, то из уравнения состояния следует равенство:
Иными словами, любое изменение давления в системе приводит к обратно пропорциональному изменению ее объема, если поддерживать постоянной температуру газа. Графиком функции P(V) является гипербола.
Это равенство носит фамилию французского физика Жака Шарля, который получил его в конце XVIII века. Изобара (графическое изображение функции V(T)) выглядит как прямая линия. Чем больше давление в системе, тем быстрее возрастает эта линия.
Изобарный процесс легко осуществить, если под поршнем нагревать газ. Молекулы последнего увеличивают свою скорость (кинетическую энергию), создают более высокое давление на поршень, что приводит к расширению газа и поддержанию постоянной величины P.
Оно среди физиков известно как закон Гей-Люссака. Прямая пропорциональность между давлением и абсолютной температурой говорит о том, что график изохорного процесса, как и график изобарного, представляет собой прямую линию с положительным коэффициентом наклона.
Важно понимать, что все изопроцессы протекают в закрытых системах, то есть в их ходе величина n сохраняется.
Адиабатный процесс
Этот процесс не относится к категории «изо», поскольку при его прохождении изменяются все три термодинамических параметра. Адиабатным называют переход между двумя состояниями системы, при котором она не обменивается теплотой с окружающей средой. Так, расширение системы осуществляется за счет ее внутренних запасов энергии, что приводит к значительному падению давления и абсолютной температуры в ней.
Адиабатный процесс для идеального газа описывают уравнениями Пуассона. Одно из них приводится ниже:
График адиабаты отличается от графика изохорного процесса и от графика изобарного, однако он похож на гиперболу (изотерму). Адиабата в осях P-V ведет себя более резко, чем изотерма.
Изопроцессы в газах что такое
Давление (p), объем (V) и температура (T) являются основными параметрами состояния газа.
Всякое изменение состояния газа называется термодинамическим процессом.
Термодинамические процессы, протекающие в газе постоянной массы при неизменном значении одного из параметров состояния газа, называются изопроцессами.
Изопроцессы являются идеализированной моделью реального процесса в газе.
Изопроцессы подчиняются газовым законам.
Газовые законы определяют количественные зависимости между двумя параметрами газа при неизменном значении третьего.
Газовые законы справедливы для любых газов и газовых смесей.
Изотермический процесс (T = const)
Изотермическим процессом называются изменения состояния газа, протекающие при постоянной температуре.
Изотермический процесс в идеальном газе подчиняется закону Бойля-Мариотта:
Для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.
Формулу закона можно записать иначе
где
— параметры газа в разные моменты времени
На графиках представлены изотермы для разных температур газа, где Т1 
Для газа данной массы отношение объема газа к его температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Формулу закона можно записать иначе
где
— параметры газа в разные моменты времени
На графиках представлены изобары для разных давлений газа, где р1 
Для газа данной массы отношение давления газа к его температуре постоянно, если объем газа не меняется.
Формулу закона можно записать иначе
где
— параметры газа в разные моменты времени
На графиках представлены изохоры для разных объемов газа, где V1 По следам «английских ученых»
Объединенный газовый закон и изопроцессы
теория по физике 🧲 молекулярная физика, МКТ, газовые законы
Объединенный газовый закон был открыт экспериментально. Он также является следствием основного уравнения состояния идеального газа. Согласно ему:
При постоянной массе газа и его неизменной молярной массе отношение произведения давления на объем к его абсолютной температуре остается величиной постоянной:
Объединенный газовый закон применительно к изопроцессам
Объединенный газовый закон объединяет три независимых газовых закона: Бойля — Мариотта, Шарля и Гей-Люссака. Газовые законы действуют в частных случаях — изопроцессах.
Изопроцессы — термодинамические процессы, во время которых количество вещества и один из параметров состояния: давление, объём, температура или энтропия — остаётся неизменным.
Изотермический процесс. Закон Бойля — Мариотта.
Изотермический процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянной температуре и массе:
Для изотермического процесса действует закон Бойля — Мариотта:
Закон Бойля — Мариотта
Для газа данной массы произведение газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется.
Изохорный процесс. Закон Шарля.
Изохорный процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном объеме и массе:
Для изохорного процесса действует закон Шарля:
Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется.
Изобарный процесс. Закон Гей-Люссака.
Изобарный процесс — термодинамический процесс, происходящий в системе при постоянном давлении и массе:
Для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется.
Пример №1. Идеальный газ изобарно нагревают так, что его температура изменяется на ∆T = 240 К, а давление — в 1,6 раза. Масса газа постоянна. Найдите начальную температуру газа по шкале Кельвина.
Так как газ нагревают, то:
Запишем закон Шарля применительно к данному случаю:
Сделаем некоторые преобразования и вычислим начальную температуру:
Подсказки к задачам на газовые законы
На графике представлена зависимость объёма постоянного количества молей одноатомного идеального газа от средней кинетической энергии теплового движения молекул газа. Опишите, как изменяются температура и давление газа в процессах 1−2 и 2−3. Укажите, какие закономерности Вы использовали для объяснения.