Cuvinte cheie
gaz ideal; gaz real; Legea gazelor; Presiune; Volum; Temperatura; izotermă; adiabatic; izobaric
Legea gazelor
Cele trei dimensiuni presiune P, temperatura T și volum V-ul unui gaz depinde unul de celălalt. Scris ca o ecuație, arată astfel:
Actul privind gazele:
P V = n R T.
(Cu toate acestea, da Legea gazelor în această formă strict vorbind doar pentru gaze ideale, astfel cei ale căror particule nu interacționează între ele; Deci nici ei nu se condensează. Cu toate acestea, poate fi folosit și la temperaturi suficient de mari peste punctul de fierbere gaze reale se aplică.) R este o constantă și se numește constanta generala a gazului, n este numărul Cârtiță (Mol este o unitate utilizată pentru a indica cantitatea unei substanțe).
Legea gazelor conține astfel trei cantități (cu condiția ca numărul de aluniți să fie neschimbat în timpul unui proces) - P, V, T. Toate cele trei se vor schimba în dependență reciprocă în orice proces. O creștere a presiunii determină, de exemplu, o reducere a volumului și/sau o creștere a temperaturii; o creștere a temperaturii o creștere a volumului și/sau a presiunii. Dacă una dintre variabile este menținută constantă, există câteva cazuri speciale care sunt explicate mai jos.
Fig. 1 ball balon cu aer cald
Pentru ca balonul să crească, este importantă doar radiația solară, care asigură că aerul din balon este încălzit în raport cu temperatura ambiantă - funcționează și iarna. Atâta timp cât soarele strălucește - și din păcate asta a fost problema aici iarna trecută. Fie era înnorat, fie prea vânt, fie ambele.
Balonul este disponibil sub denumirea „Solar Airship” la www.astromedia.de. Sfârșitul subtitrării
1. Dacă mențineți constant volumul unui gaz ...
(de exemplu, plasându-l într-un container) ecuația devine:
P = n R T/V sau P ∼ T (citiți ca: P este proporțional cu T).
Apoi, o creștere a temperaturii (adică adăugarea de căldură) duce la o creștere a presiunii. Acest lucru se datorează faptului că o creștere a temperaturii face ca moleculele de gaz să se miște mai repede și să le lovească pe pereții containerului cu energie cinetică mai mare. Aceste coliziuni ale moleculelor - sau impulsul transmis către peretele containerului - sunt exact ceea ce este perceput macroscopic ca presiune. În schimb, o scădere a temperaturii duce la o scădere a presiunii.
Se numesc schimbări de stare la volum constant izocor.
Cu o schimbare izocorică de stare, volumul rămâne constant, deci gazul nu poate face niciun volum de lucru (ceea ce înseamnă - nu poate face niciun lucru, deoarece dacă un gaz funcționează, acesta este volumul de lucru). Dacă acum îl aprovizionezi cu căldură, toată căldura furnizată va duce la o creștere a energiei interne, deoarece nicio energie nu poate fi eliberată din nou ca lucru. Prima clauză principală devine astfel:
Acesta este motivul pentru care funcționează o oală sub presiune - odată ce apa s-a evaporat, nu își poate crește volumul, motiv pentru care crește presiunea și temperatura, iar cartofii gătesc mai repede la temperatura mai ridicată.
2. Dacă mențineți temperatura constantă ...
ecuația devine:
P V = constantă,
produsul de presiune și volum este, prin urmare, constant în aceste condiții, ambele sunt invers proporționale între ele. Dacă gazul este expus la o presiune care este de două ori mai mare (de trei ori mai mare, de patru ori ...), volumul său se înjumătățește (treimi, sferturi ...). Dimpotrivă, o dublare (triplare ...) a volumului duce la înjumătățirea (împărțirea ...) a presiunii.
Se numesc schimbări de stare la temperatură constantă izotermă.
În cazul unei modificări izoterme de stare, temperatura nu se schimbă și astfel nici energia internă nu se schimbă. Prima clauză principală devine:
Toată căldura furnizată este eliberată ca lucru sau invers.
3. Dacă mențineți presiunea constantă ...
se aplică ecuația:
V = n R T/P sau V ∼ T.
O creștere a temperaturii duce acum la o creștere a volumului. Particulele în mișcare mai rapidă ocupă mai mult spațiu, astfel încât gazul se extinde. Pentru a înțelege acest lucru, punem mental gazul într-un container flexibil care se extinde odată cu gazul. Dacă gazul și recipientul nu s-ar extinde, particulele ar atinge limita mai violent, rezultând un transfer de impuls mai mare, adică o presiune mai mare. Dar ar trebui să rămână neschimbat, ceea ce se realizează prin creșterea volumului. Pentru că acum particulele lovesc pereții containerului cu o viteză mai mare, dar o fac mai rar (din cauza distanței mai mari). O frecvență mai mică de impact reduce, de asemenea, transferul de impuls și, astfel, presiunea din nou.
Cu o scădere a temperaturii, volumul scade în consecință. Se fac schimbări de stare la presiune constantă izobaric.
Există două simple Experimente, care sunt întotdeauna bine primite de spectatori:
Instrucțiuni de experiment aici:
Casa Rock pentru copii - Primele experimente pentru micii cercetători. Christoph Michel, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008. Sfârșitul imaginii
Următorul experiment se bazează pe același principiu - în loc de un balon, un ou fiert este aspirat în sticlă.
În film, puteți vedea oul alunecând în sticlă aici: aspirând un ou în sticlă (vă rugăm să rețineți - fișierul are 9,1 MB!)
Instrucțiuni de experiment aici:
Casa rock a copiilor - experimente. Joachim Hecker, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2005. Sfârșitul imaginii
Schimbare de stare adiabatică
Aerul din sticlă s-a răcit - a dat căldură mediului înconjurător. Aceasta ne conduce la un alt caz special: adiabatic Schimbarea stării. O schimbare de stare este adiabatică atunci când nu se schimbă căldură cu mediul. Gazul (sau alt sistem) trebuie, prin urmare, să fie complet izolat termic de mediu. Cu toate acestea, procesele care au loc atât de repede încât practic nu poate avea loc un schimb de căldură sunt, de asemenea, aproximativ adiabatice. De exemplu, cursa de compresie din motor poate fi privită ca o compresie adiabatică (vezi motorul cu combustie).
Energia internă a unui gaz ideal depinde doar de temperatura acestuia, deși gazele reale pot fi, de asemenea, considerate ca fiind ideale la temperaturi mult peste punctul de condensare. Schimbările de energie internă pot fi produse prin adăugarea sau eliminarea căldurii sau a muncii. Dacă acum comprimați un gaz ideal, îi adăugați muncă, adică îi măriți energia internă. Dacă îl comprimați adiabatic - adică fără a adăuga sau a elimina căldura - această lucrare este singura schimbare a energiei interne. Temperatura gazului/aerului crește (deoarece disiparea căldurii este exclusă).
Deoarece nu se schimbă căldura cu mediul, prima lege a proceselor adiabatice devine:
Expansiunea adiabatică a unui gaz duce la răcirea gazului, de exemplu atunci când un gaz încălzit se extinde într-un cilindru și împinge afară un piston. Funcționează la piston, energia pentru aceasta provine din energia internă a gazului, care, în consecință, scade. Energia cinetică a particulelor este convertită în energia cinetică a pistonului, astfel încât particulele de gaz o pierd, care este apoi exprimată ca o scădere a temperaturii (deoarece energia cinetică a particulelor este temperatura).
Când soarele încălzește straturile de aer aproape de sol în cursul dimineții, acestea se extind și apoi încep să crească datorită densității lor mai mici (așa că până în acest moment exemplul aparține de fapt sub punctul „presiune constantă”). Cu toate acestea, în timpul ascensiunii, schimbul de energie dintre coletele aeriene și împrejurimile lor poate fi neglijat și totul poate fi privit ca un proces adiabatic. Presiunea aerului, care scade odată cu altitudinea, determină extinderea coletelor de aer. Deoarece nu există schimb de căldură cu mediul, energia necesară pentru creșterea volumului trebuie să provină din energia internă a pachetelor de aer - acestea se răcesc. (În realitate, desigur, există un schimb de căldură. Deoarece pachetul de aer în creștere este mai cald decât aerul ambiant, căldura curge departe de pachetul de aer. Totuși, această răcire nu poate duce la expansiune. Energia pentru expansiunea volumului poate proveni doar din energia internă a pachetului de aer vino.)
Ascensiunea adiabatică a aerului poate fi simulată cu următorul experiment, în care bulele de aer cresc în uleiul de gătit (cu toate acestea, puteți vedea doar creșterea volumului; nu scăderea temperaturii în bulele de aer în creștere).
Balonul ascendent din Figura 1 nu pare să aparțină capitolului „ascensiune adiabatică”, deoarece aerul închis este încălzit în continuare de plicul negru de plastic în timpul ascensiunii.