Ізопроцеси у газах
З рівняння Менделєєва – Клапейрона слідують закони, за якими змінюється стан газів, коли один з параметрів – температура, тиск або обсяг залишаються незмінним.
У більшості випадків при переході газу з одного стану в інший міняються всі його параметри – температура, обсяг і тиск. Так відбувається, коли газ стискається під поршнем в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння, в результаті чого температура газу і його тиск ростуть, а обсяг зменшується. Проте в деяких випадках зміни одного з параметрів газу відносно малі або взагалі відсутні. Такі процеси, де один з трьох параметрів – температура, тиск або обсяг залишаються незмінними, називають ізопроцессамі, а закони, які їх описують – газовими законами.
Ізотермічним процесом називають зміну стану газу, при якому його температура залишається постійною. Прикладом такого процесу може служити накачування повітрям автомобільних шин. Однак ізотермічним такий процес можна вважати, якщо порівнювати стан повітря перед тим, як він опинився в насосі, з його станом в шині після того, як температура шини і навколишнього повітря стали рівними. Будь повільні процеси, що відбуваються з малим об’ємом газу, оточеним великою масою газу, рідини або твердого тіла, що має постійну температуру, можна вважати ізотермічними.
З рівняння стану ідеального газу (24.4) випливає, що при ізотермічному процесі добуток тиску даної маси газу на його обсяг є величина постійна. Цей закон, званий законом Бойля-Маріотта, був відкритий англійським вченим Р. Бойл і французьким фізиком Е. Маріоттом і записується в наступному вигляді:
Графік, що ілюструє, як змінюється тиск газу залежно від його об’єму при ізотермічному процесі, називають ізотермою і має вигляд гіперболи (див. Рис. 25а). Видно, що розширення газу при ізотермічному процесі супроводжується падінням його тиску.
Ізобаричний процесом називають зміну стану газу, що відбувається при постійному тиску. Відповідно до рівняння Менделєєва-Клапейрона (24.4) при изобарном процесі відношення обсягу даної маси газу до його температури постійно. Цей висновок, який називають законом Гей-Люссака на честь французького вченого Ж. Гей-Люссака, можна записати у вигляді:
Графік, що показує, як обсяг газу залежить від його температури при ізобаріческом процесі, називають ізобарою, яка, як видно на рис. 25б, є прямою, що проходить через початок координат. Насправді, при досить низьких температурах всі гази перетворюються в рідині, до яких газові закони вже непридатні. Тому ізобари на рис. 25б поблизу початку координат показані пунктиром.
Одним із прикладів ізобарного процесу є розширення маленьких бульбашок повітря і вуглекислого газу, що містяться в тесті, коли його ставлять у духовку. Тиск повітря всередині духовки і зовні однаково, а температура всередині приблизно на 50% більше, ніж зовні. Згідно закону Гей-Люссака обсяг газових бульбашок в тесті виростає теж на 50%, що і робить пиріг повітряним.
Процес, при якому змінюється стан газу, а його обсяг залишається незмінним, називають ізохорним. З рівняння Менделєєва – Клапейрона випливає, що в газу, що займає постійний обсяг, ставлення його тиску до температури теж має бути постійним:
Рівняння (25.3) описує закон Шарля, з яким ми вже зустрічалися раніше (див. 23.1). Залежність між тиском і температурою газу при Ізохоричний процесі називають Ізохор, яка є прямою (див. Рис. 25в).
Питання для повторення:
– Що таке ізопроцесси і газові закони? Перерахуйте їх і наведіть приклади їх застосування. – Як газові закони слідують з рівняння стану ідеального газу? – Чому повільні процеси майже завжди можна вважати ізотермічними?
(1 votes, average: 5.00 out of 5)