Kami telah menetapkan bagaimana tekanan gas bergantung pada suhu jika isipadu kekal tidak berubah. Sekarang mari kita lihat bagaimana tekanan jisim gas tertentu berubah bergantung pada isipadu yang didudukinya jika suhu kekal tidak berubah. Walau bagaimanapun, sebelum beralih kepada isu ini, kita perlu memikirkan cara mengekalkan suhu pemalar gas. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mengkaji apa yang berlaku kepada suhu gas jika isipadunya berubah dengan cepat sehingga hampir tiada pertukaran haba antara gas dan badan di sekelilingnya.

Jom buat eksperimen ini. Dalam tiub berdinding tebal yang diperbuat daripada bahan lutsinar (plexiglass atau kaca), ditutup pada satu hujung, kami meletakkan bulu kapas, sedikit dibasahi dengan eter, dan ini akan menghasilkan campuran wap eter dengan udara di dalam tiub, yang meletup apabila dipanaskan. . Kemudian dengan cepat tolak omboh yang dipasang rapat ke dalam tiub (Gamb. 378). Kita akan melihat letupan kecil berlaku di dalam tiub. Ini bermakna apabila campuran wap eter dan udara dimampatkan, suhu campuran meningkat dengan mendadak. Fenomena ini cukup difahami. Dengan memampatkan gas dengan daya luaran, kami menghasilkan kerja, akibatnya tenaga dalaman gas harus meningkat; inilah yang berlaku - gas menjadi panas.

nasi. 378. Dengan cepat menolak omboh ke dalam tiub kaca berdinding tebal, kami menyebabkan bulu kapas yang sangat mudah terbakar di dalam tiub itu menyala.

Sekarang mari kita beri peluang kepada gas untuk mengembang dan melakukan kerja melawan daya tekanan luar. Ini boleh dilakukan, sebagai contoh, seperti ini (Gamb. 379). Biarkan botol besar mengandungi udara termampat pada suhu bilik. Mari kita beri peluang kepada udara dalam botol untuk mengembang, keluar dari lubang kecil ke luar, dan letakkan termometer atau kelalang dengan tiub, ditunjukkan dalam Rajah., dalam aliran udara yang mengembang. 384. Termometer akan menunjukkan suhu yang lebih rendah daripada suhu bilik, dan penurunan dalam tiub yang disambungkan kepada kelalang akan mengalir ke arah kelalang, yang juga akan menunjukkan penurunan suhu udara dalam aliran. Ini bermakna apabila gas mengembang dan pada masa yang sama berfungsi, ia menjadi sejuk dan tenaga dalamannya berkurangan). Adalah jelas bahawa pemanasan gas semasa pemampatan dan penyejukan semasa pengembangan adalah ungkapan undang-undang pemuliharaan tenaga.

nasi. 379. Termometer 2, diletakkan dalam aliran udara yang mengembang, menunjukkan suhu yang lebih rendah daripada termometer 1

Jika kita beralih kepada mikrokosmos, fenomena pemanasan gas semasa pemampatan dan penyejukan semasa pengembangan akan menjadi agak jelas. Apabila molekul terkena dinding pegun dan melantun darinya, kelajuan, dan oleh itu tenaga kinetik molekul, secara purata adalah sama seperti sebelum memukul dinding. Tetapi jika molekul mencecah dan melantun dari omboh yang memajukan, kelajuan dan tenaga kinetiknya lebih besar daripada sebelum ia terkena omboh (sama seperti kelajuan bola tenis meningkat apabila ia dipukul ke arah yang bertentangan dengan raket). Omboh memajukan memindahkan tenaga tambahan kepada molekul yang dipantulkan daripadanya. Oleh itu, tenaga dalaman gas meningkat semasa pemampatan. Apabila melantun dari omboh berundur, kelajuan molekul berkurangan, kerana molekul itu berfungsi dengan menolak omboh berundur. Oleh itu, pengembangan gas yang berkaitan dengan penarikan balik omboh atau lapisan gas di sekeliling disertai dengan kerja dan membawa kepada penurunan tenaga dalaman gas.

Jadi, pemampatan gas oleh daya luar menyebabkan ia menjadi panas, dan pengembangan gas disertai dengan penyejukannya. Fenomena ini sentiasa berlaku pada tahap tertentu, tetapi amat ketara apabila pertukaran haba dengan badan di sekeliling diminimumkan, kerana pertukaran tersebut boleh mengimbangi perubahan suhu ke tahap yang lebih besar atau lebih rendah. Proses di mana tiada pertukaran haba dengan persekitaran luaran dipanggil adiabatik.

Mari kita kembali kepada soalan yang dikemukakan pada permulaan perenggan. Bagaimana untuk memastikan suhu gas malar walaupun terdapat perubahan dalam isipadunya? Jelas sekali, untuk melakukan ini, adalah perlu untuk terus memindahkan haba ke gas dari luar jika ia mengembang, dan untuk terus mengeluarkan haba daripadanya, memindahkannya ke badan sekeliling jika gas dimampatkan. Khususnya, suhu gas kekal hampir malar jika pengembangan atau pemampatan gas sangat perlahan, dan pertukaran haba dengan persekitaran luaran berlaku agak cepat. Dengan pengembangan yang perlahan, haba dari badan di sekeliling dipindahkan ke gas dan suhunya berkurangan sedikit sehingga penurunan ini boleh diabaikan. Dengan mampatan perlahan, haba, sebaliknya, dipindahkan dari gas ke badan di sekelilingnya, dan akibatnya suhunya meningkat hanya dengan sedikit. Proses di mana suhu dikekalkan malar dipanggil isoterma.

225.1. Mengapakah pam menjadi panas apabila mengepam udara ke dalam tayar basikal?

Dalam proses pengeluaran yang melibatkan penggunaan gas (penyebaran, pencampuran, pengangkutan pneumatik, pengeringan, penyerapan, dsb.), pergerakan dan pemampatan gas tersebut berlaku disebabkan oleh tenaga yang diberikan kepada mereka oleh mesin, yang mempunyai nama umum. pemampatan. Pada masa yang sama, produktiviti loji mampatan boleh mencapai puluhan ribu meter padu sejam, dan tekanan berbeza dalam julat 10–8–10 3 atm, yang menentukan pelbagai jenis dan reka bentuk mesin yang digunakan untuk gerakkan, mampatkan dan jarang gas. Mesin yang direka untuk mencipta tekanan tinggi dipanggil pemampat, dan mesin yang berfungsi untuk mencipta vakum dipanggil pam vakum.

Mesin mampatan dikelaskan terutamanya mengikut dua kriteria: prinsip operasi dan tahap mampatan. Nisbah mampatan ialah nisbah tekanan gas akhir pada alur keluar mesin R 2 kepada tekanan masuk awal hlm 1 (iaitu hlm 2 /hlm 1).

Mengikut prinsip operasi, mesin mampatan dibahagikan kepada omboh, ram (empar dan paksi), berputar dan jet.

Mengikut tahap pemampatan mereka dibezakan:

– pemampat digunakan untuk mencipta tekanan tinggi, dengan nisbah mampatan R 2 /R 1 > 3;

– peniup gas digunakan untuk menggerakkan gas dengan rintangan tinggi rangkaian saluran paip gas, manakala 3 > hlm 2 /hlm 1 >1,15;

– kipas digunakan untuk memindahkan gas dalam kuantiti yang banyak semasa hlm 2 /hlm 1 < 1,15;

– pam vakum yang menyedut gas dari ruang dengan tekanan berkurangan (di bawah atmosfera) dan mengepamnya ke dalam ruang dengan peningkatan (di atas atmosfera) atau tekanan atmosfera.

Mana-mana mesin mampatan boleh digunakan sebagai pam vakum; vakum yang lebih dalam dicipta oleh omboh dan mesin berputar.

Tidak seperti cecair titisan, sifat fizikal gas bergantung pada suhu dan tekanan secara fungsi; proses pergerakan dan pemampatan gas dikaitkan dengan proses termodinamik dalaman. Pada perbezaan kecil dalam tekanan dan suhu, perubahan dalam sifat fizikal gas semasa pergerakannya pada kelajuan rendah dan tekanan yang hampir dengan atmosfera adalah tidak ketara. Ini memungkinkan untuk menggunakan semua peruntukan asas dan undang-undang hidraulik untuk menerangkannya. Walau bagaimanapun, apabila menyimpang daripada keadaan biasa, terutamanya pada nisbah mampatan gas yang tinggi, banyak kedudukan hidraulik mengalami perubahan.

1. Asas termodinamik proses pemampatan gas

Pengaruh suhu ke atas perubahan isipadu gas pada tekanan malar, seperti yang diketahui, ditentukan oleh undang-undang Gay-Lussac, iaitu, apabila hlm= const isipadu gas adalah berkadar terus dengan suhunya:

di mana V 1 dan V 2 – isipadu gas, masing-masing, pada suhu T 1 dan T 2 dinyatakan pada skala Kelvin.

Hubungan antara isipadu gas pada suhu yang berbeza boleh diwakili oleh hubungan

, (4.1)

di mana V Dan V 0 – isipadu akhir dan awal gas, m3; t Dan t 0 – suhu gas akhir dan awal, °C β t– pekali relatif pengembangan isipadu, deg. -1 .

Perubahan tekanan gas bergantung pada suhu:

, (4.2)

di mana R Dan R 0 – tekanan gas akhir dan awal, Pa;β R– pekali suhu relatif tekanan, darjah. -1 .

Jisim gas M kekal malar apabila isipadunya berubah. Jika ρ 1 dan ρ 2 ialah ketumpatan dua keadaan suhu gas, maka
Dan
atau
, iaitu Ketumpatan gas pada tekanan malar adalah berkadar songsang dengan suhu mutlaknya.

Menurut undang-undang Boyle-Mariotte, pada suhu yang sama hasil darab isipadu gas tertentu v pada nilai tekanannya R terdapat kuantiti yang tetap hlmv= const. Oleh itu, pada suhu malar
, A
, iaitu ketumpatan gas adalah berkadar terus dengan tekanan, kerana
.

Dengan mengambil kira persamaan Gay-Lussac, kita boleh mendapatkan hubungan yang menghubungkan tiga parameter gas: tekanan, isipadu tertentu dan suhu mutlaknya:

. (4.3)

Persamaan terakhir dipanggil Persamaan Clayperon. Secara umum:

atau
, (4.4)

di mana R– pemalar gas, yang mewakili kerja yang dilakukan per unit jisim gas ideal dalam isobaric ( hlm= const) proses; apabila suhu berubah sebanyak 1°, pemalar gas R mempunyai dimensi J/(kgdeg):

, (4.5)

di mana l R– kerja spesifik perubahan isipadu yang dilakukan oleh 1 kg gas ideal pada tekanan malar, J/kg.

Oleh itu, persamaan (4.4) mencirikan keadaan gas ideal. Pada tekanan gas melebihi 10 atm, penggunaan ungkapan ini memperkenalkan ralat ke dalam pengiraan ( hlmv≠RT), oleh itu adalah disyorkan untuk menggunakan formula yang menerangkan dengan lebih tepat hubungan antara tekanan, isipadu dan suhu gas sebenar. Contohnya, dengan persamaan van der Waals:

, (4.6)

di mana R= 8314/M– pemalar gas, J/(kg K); M– jisim molekul gas, kg/kmol; A Dan V - nilai yang tetap untuk gas tertentu.

Kuantiti A Dan V boleh dikira menggunakan parameter gas kritikal ( T cr dan R cr):

;
. (4.7)

Pada tekanan tinggi nilai a/v 2 (tekanan tambahan dalam persamaan van der Waals) adalah kecil berbanding dengan tekanan hlm dan ia boleh diabaikan, maka persamaan (4.6) bertukar menjadi persamaan keadaan gas Dupre sebenar:

, (4.8)

dimanakah nilainya V hanya bergantung pada jenis gas dan tidak bergantung pada suhu dan tekanan.

Dalam amalan, gambar rajah termodinamik lebih kerap digunakan untuk menentukan parameter gas dalam pelbagai keadaannya: T–S(suhu–entropi), p–i(pergantungan tekanan pada entalpi), hlm–V(pergantungan tekanan pada isipadu).

Rajah 4.1 – T–S gambar rajah

Pada rajah T–S(Gamb. 4.1) baris AKB mewakili lengkung sempadan yang membahagikan rajah kepada kawasan berasingan sepadan dengan keadaan fasa bahan tertentu. Kawasan yang terletak di sebelah kiri lengkung sempadan ialah fasa cecair, dan di sebelah kanan ialah kawasan wap kering (gas). Di kawasan yang dibatasi oleh lengkung AVK dan paksi absis, dua fasa wujud serentak - cecair dan wap. Talian AK sepadan dengan pemeluwapan lengkap wap, di sini tahap kekeringan x= 0. Garisan KV sepadan dengan penyejatan lengkap, x = 1. Maksimum lengkung sepadan dengan titik kritikal K, di mana ketiga-tiga keadaan jirim adalah mungkin. Sebagai tambahan kepada lengkung sempadan, rajah menunjukkan garisan suhu malar (isoterma, T= const) dan entropi ( S= const), diarahkan selari dengan paksi koordinat, isobar ( hlm= const), garisan entalpi malar ( i= const). Isobar di kawasan wap basah diarahkan dengan cara yang sama seperti isoterma; di kawasan wap panas lampau mereka menukar arah secara curam ke atas. Di kawasan fasa cecair, isobar hampir bergabung dengan lengkung sempadan, kerana cecair boleh dikatakan tidak boleh mampat.

Semua parameter gas pada rajah T–S dirujuk kepada 1 kg gas.

Oleh kerana, mengikut definisi termodinamik
, maka haba perubahan keadaan gas
. Akibatnya, kawasan di bawah lengkung yang menerangkan perubahan keadaan gas adalah secara berangka sama dengan tenaga (haba) perubahan keadaan.

Proses menukar parameter gas dipanggil proses mengubah keadaannya. Setiap keadaan gas dicirikan oleh parameter hlm,v Dan T. Semasa proses menukar keadaan gas, semua parameter boleh berubah atau salah satu daripadanya boleh kekal malar. Oleh itu, proses yang berlaku pada isipadu tetap dipanggil isokorik, pada tekanan tetap - isobarik, dan pada suhu malar - isoterma. Apabila, jika tiada pertukaran haba antara gas dan persekitaran luaran (haba tidak dikeluarkan atau dibekalkan), ketiga-tiga parameter gas berubah ( p,v,T) V proses pengembangan atau pengecutannya , proses itu dipanggil adiabatik, dan bila perubahan dalam parameter gas berlaku dengan bekalan berterusan atau penyingkiran haba – politropik.

Dengan perubahan tekanan dan isipadu, bergantung kepada sifat pertukaran haba dengan persekitaran, perubahan keadaan gas dalam mesin mampatan boleh berlaku secara isoterma, adiabatik dan politropik.

Pada isoterma Dalam proses itu, perubahan dalam keadaan gas mengikut undang-undang Boyle–Mariotte:

pv = const.

Pada rajah p–v proses ini digambarkan oleh hiperbola (Rajah 4.2). Bekerja 1 kg gas l secara grafik diwakili oleh kawasan berlorek, yang sama dengan
, iaitu

atau
. (4.9)

Jumlah haba yang dibebaskan semasa pemampatan isoterma bagi 1 kg gas dan yang mesti dikeluarkan dengan penyejukan supaya suhu gas kekal malar:

, (4.10)

di mana c v Dan c R ialah kapasiti haba tentu gas pada isipadu dan tekanan malar, masing-masing.

Pada rajah T–S proses pemampatan isoterma gas daripada tekanan R 1 kepada tekanan R 2 diwakili oleh garis lurus ab, dilukis antara isobar R 1 dan R 2 (Rajah 4.3).

Rajah 4.2 – Proses pemampatan gas isoterma pada rajah	Rajah 4.3 – Proses pemampatan gas isoterma pada rajah T–S

Haba yang setara dengan kerja pemampatan diwakili oleh kawasan yang dihadkan oleh ordinat melampau dan garis lurus ab, iaitu

. (4.11)

Rajah 4.4 – Proses pemampatan gas pada rajah
:

A – proses adiabatik;

B - proses isoterma

Oleh kerana ungkapan untuk menentukan kerja yang dibelanjakan dalam proses mampatan isoterma hanya merangkumi isipadu dan tekanan, maka dalam had kebolehgunaan persamaan (4.4) tidak kira gas mana yang akan dimampatkan. Dalam erti kata lain, mampatan isoterma 1 m 3 mana-mana gas pada tekanan awal dan akhir yang sama memerlukan jumlah tenaga mekanikal yang sama.

Pada adiabatik Dalam proses pemampatan gas, perubahan dalam keadaannya berlaku disebabkan oleh perubahan dalam tenaga dalamannya, dan akibatnya, suhu.

Dalam bentuk umum, persamaan proses adiabatik diterangkan dengan ungkapan:

, (4.12)

di mana
- indeks adiabatik.

Secara grafik (Rajah 4.4) proses ini ditunjukkan dalam rajah p–v akan digambarkan sebagai hiperbola yang lebih curam daripada dalam Rajah. 4.2., sejak k> 1.

Jika kita terima

, Itu
. (4.13)

Kerana ia
Dan R= const, persamaan yang terhasil boleh dinyatakan secara berbeza:

atau
. (4.14)

Dengan cara transformasi yang sesuai, adalah mungkin untuk mendapatkan kebergantungan untuk parameter gas lain:

;
. (4.15)

Oleh itu, suhu gas pada akhir pemampatan adiabatiknya

. (4.16)

Kerja yang dilakukan oleh 1 kg gas dalam keadaan proses adiabatik:

. (4.17)

Haba yang dibebaskan semasa pemampatan adiabatik gas adalah bersamaan dengan kerja yang dibelanjakan:

Dengan mengambil kira hubungan (4.15), kerja pada pemampatan gas semasa proses adiabatik

. (4.19)

Proses pemampatan adiabatik dicirikan oleh ketiadaan lengkap pertukaran haba antara gas dan persekitaran, i.e. dQ = 0, a dS = dQ/T, Itulah sebabnya dS = 0.

Oleh itu, proses pemampatan gas adiabatik berlaku pada entropi malar ( S= const). Pada rajah T–S proses ini akan diwakili oleh garis lurus AB(Gamb. 4.5).

Rajah 4.5 – Perwakilan proses pemampatan gas pada rajah T–S

Jika semasa proses mampatan haba yang dibebaskan dikeluarkan dalam kuantiti kurang daripada yang diperlukan untuk proses isoterma (yang berlaku dalam semua proses mampatan sebenar), maka kerja sebenar yang dibelanjakan akan lebih besar daripada semasa mampatan isoterma dan kurang daripada semasa adiabatik:

, (4.20)

di mana m- indeks politropik, k>m>1 (untuk udara m
).

Nilai indeks politropik m bergantung kepada sifat gas dan keadaan pertukaran haba dengan persekitaran. Dalam mesin mampatan tanpa penyejukan, indeks politropik mungkin lebih besar daripada indeks adiabatik ( m>k), iaitu proses dalam kes ini berjalan di sepanjang laluan superadiabatik.

Kerja yang dibelanjakan untuk rarefaction gas dikira menggunakan persamaan yang sama seperti kerja untuk memampatkan gas. Cuma bezanya R 1 akan kurang daripada tekanan atmosfera.

Proses mampatan politropik tekanan gas R 1 sehingga tekanan R 2 dalam Rajah. 4.5 akan digambarkan sebagai garis lurus AC. Jumlah haba yang dibebaskan semasa pemampatan politropik 1 kg gas adalah sama secara berangka dengan kerja khusus pemampatan:

Suhu mampatan gas akhir

. (4.22)

Kuasa, dibelanjakan oleh mesin mampatan untuk pemampatan dan jarang gas bergantung pada prestasinya, ciri reka bentuk dan pertukaran haba dengan persekitaran.

Kuasa teori dibelanjakan untuk pemampatan gas
, ditentukan oleh produktiviti dan kerja khusus pemampatan:

, (4.23)

di mana G Dan V– produktiviti jisim dan isipadu mesin, masing-masing;
– ketumpatan gas.

Oleh itu, untuk pelbagai proses pemampatan penggunaan kuasa teori ialah:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

di mana – produktiviti isipadu mesin mampatan, dikurangkan kepada keadaan sedutan.

Kuasa sebenar yang digunakan adalah lebih besar untuk beberapa sebab, i.e. Tenaga yang digunakan oleh mesin adalah lebih tinggi daripada tenaga yang dipindahkan ke gas.

Untuk menilai keberkesanan mesin mampatan, perbandingan mesin ini dengan mesin yang paling menjimatkan kelas yang sama digunakan.

Mesin yang disejukkan dibandingkan dengan mesin yang akan memampatkan gas secara isoterma dalam keadaan tertentu. Dalam kes ini, kecekapan dipanggil isoterma,  daripada:

, (4.27)

di mana N– kuasa sebenar yang digunakan oleh mesin ini.

Jika mesin beroperasi tanpa penyejukan, maka mampatan gas di dalamnya berlaku di sepanjang politrop, yang indeksnya lebih tinggi daripada indeks adiabatik ( m k). Oleh itu, kuasa yang dibelanjakan dalam mesin tersebut dibandingkan dengan kuasa yang akan dibelanjakan oleh mesin semasa pemampatan gas adiabatik. Nisbah kuasa ini ialah kecekapan adiabatik:

. (4.28)

Mengambil kira kuasa yang hilang akibat geseran mekanikal dalam mesin dan mengambil kira kecekapan mekanikal. –  bulu, kuasa pada aci mesin mampatan:

atau
. (4.29)

Kuasa enjin dikira dengan mengambil kira kecekapan. enjin itu sendiri dan kecekapan penularan:

. (4.30)

Kuasa enjin yang dipasang diambil dengan margin (
):

. (4.31)

Nilai  neraka berjulat dari 0.930.97 dari, bergantung pada tahap mampatan, mempunyai nilai 0.640.78; kecekapan mekanikal berbeza dalam 0.850.95.

Perubahan suhu gas apabila isipadunya berubah. Proses adiabatik dan isoterma

Kami telah menetapkan bagaimana tekanan gas bergantung pada suhu jika isipadu kekal tidak berubah. Sekarang mari kita lihat bagaimana tekanan jisim gas tertentu berubah bergantung pada isipadu yang didudukinya jika suhu kekal tidak berubah.

Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mengkaji apa yang berlaku kepada suhu gas jika isipadunya berubah dengan cepat sehingga hampir tiada pertukaran haba antara gas dan badan di sekelilingnya.

Rajah 7 Jom buat eksperimen ini. Dalam tiub berdinding tebal yang diperbuat daripada bahan lutsinar, ditutup pada satu hujung, kami meletakkan bulu kapas, sedikit dibasahkan dengan eter, dan ini akan menghasilkan campuran wap eter dan udara di dalam tiub, yang meletup apabila dipanaskan. Kemudian dengan cepat tolak omboh yang dipasang rapat ke dalam tiub (Gamb. 7). Kita akan melihat letupan kecil berlaku di dalam tiub. Ini bermakna apabila campuran wap eter dan udara dimampatkan, suhu campuran meningkat dengan mendadak. Dengan memampatkan gas dengan daya luaran, kita menghasilkan kerja, akibatnya tenaga dalaman gas harus meningkat; inilah yang berlaku - gas menjadi panas.

Sekarang mari kita beri peluang kepada gas untuk mengembang dan melakukan kerja melawan daya tekanan luar. Biarkan botol besar mengandungi udara termampat pada suhu bilik (Gamb. 8). Mari beri peluang kepada udara dalam botol untuk mengembang, keluar dari lubang kecil ke luar, dan letakkan termometer dalam aliran udara yang mengembang. Termometer akan menunjukkan suhu yang lebih rendah daripada suhu bilik. Akibatnya, apabila gas mengembang dan berfungsi, ia menyejuk dan tenaga dalamannya berkurangan. Adalah jelas bahawa pemanasan gas semasa pemampatan dan penyejukan semasa pengembangan adalah ungkapan undang-undang pemuliharaan tenaga.

Jika kita beralih kepada mikrokosmos, fenomena pemanasan gas semasa pemampatan dan penyejukan, semasa pengembangan, akan menjadi agak jelas. Apabila molekul terkena dinding pegun dan melantun darinya, kelajuannya A, oleh itu, tenaga kinetik molekul secara purata adalah sama seperti sebelum terkena dinding. Tetapi jika molekul terkena dan melantun dari omboh yang sedang bergerak, kelajuan dan tenaga kinetiknya lebih besar daripada sebelum ia terkena omboh (sama seperti kelajuan pedang tenis meningkat apabila dipukul ke arah yang bertentangan oleh raket). Omboh memajukan memindahkan tenaga tambahan kepada molekul yang dipantulkan daripadanya. Oleh itu, tenaga dalaman gas meningkat semasa pemampatan. Apabila melantun dari omboh berundur, kelajuan molekul berkurangan, kerana molekul itu berfungsi dengan menolak omboh berundur. Oleh itu, pengembangan gas yang berkaitan dengan penarikan balik omboh atau lapisan gas di sekeliling disertai dengan kerja dan membawa kepada penurunan tenaga dalaman gas.

Jadi, pemampatan gas oleh daya luar menyebabkan ia menjadi panas, dan pengembangan gas disertai dengan penyejukannya. Fenomena ini sentiasa berlaku pada tahap tertentu, tetapi amat ketara apabila pertukaran haba dengan badan di sekeliling diminimumkan, kerana pertukaran tersebut boleh mengimbangi perubahan suhu ke tahap yang lebih besar atau lebih rendah. Proses di mana tiada pertukaran haba dengan persekitaran luaran dipanggil adiabatik.

Bagaimana untuk memastikan suhu gas tetap walaupun terdapat perubahan dalam isipadunya? Jelas sekali, untuk melakukan ini, adalah perlu untuk terus memindahkan haba ke gas dari luar jika ia mengembang, dan untuk terus mengeluarkan haba daripadanya, memindahkannya ke badan sekeliling jika gas dimampatkan. Khususnya, suhu gas kekal hampir malar jika pengembangan atau pemampatan gas sangat perlahan, dan pertukaran haba dengan persekitaran luaran berlaku agak cepat. Dengan pengembangan yang perlahan, haba dari badan di sekeliling dipindahkan ke gas dan suhunya berkurangan sedikit sehingga penurunan ini boleh diabaikan. Dengan mampatan perlahan, haba, sebaliknya, dipindahkan dari gas ke badan di sekelilingnya, dan akibatnya suhunya meningkat hanya dengan sedikit. Proses di mana suhu dikekalkan malar dipanggil isoterma.

Undang-undang Boyle-Marriott. Bagaimanakah isipadu dan tekanan berkaitan antara satu sama lain semasa perubahan isoterma dalam keadaan gas? Pengalaman harian mengajar kita bahawa apabila isipadu jisim gas tertentu berkurangan, tekanannya meningkat. Tetapi bagaimana sebenarnya tekanan gas meningkat apabila isipadu berkurangan jika suhu gas kekal tidak berubah?

Jawapan kepada soalan ini diberikan melalui penyelidikan yang dijalankan pada abad ke-17 oleh ahli fizik dan kimia Inggeris Robert Boyle (1627 - 1691) dan ahli fizik Perancis Edme Mariotte (1620 - 1684).

Eksperimen yang mewujudkan hubungan antara isipadu dan tekanan gas boleh dihasilkan semula menggunakan peranti yang serupa dengan termometer gas yang ditunjukkan dalam Rajah. 5. Pada dirian menegak yang dilengkapi dengan bahagian, terdapat tiub kaca A dan B, disambungkan dengan tiub getah C. Merkuri dituangkan ke dalam tiub. Tiub B terbuka di bahagian atas, tiub A mempunyai stopcock. Marilah kita menutup injap ini, dengan itu mengunci jisim udara tertentu dalam tiub A. Selagi kita tidak menggerakkan tiub, tahap merkuri di dalamnya adalah sama.

Ini bermakna tekanan udara yang terperangkap dalam tiub A adalah sama dengan tekanan udara luar. Sekarang mari kita naikkan tiub B secara perlahan. Kita akan lihat bahawa merkuri dalam kedua-dua tiub akan naik, tetapi tidak sama: dalam tiub B paras merkuri akan sentiasa lebih tinggi daripada tiub A. Jika kita menurunkan tiub B, maka paras merkuri dalam kedua-dua siku berkurangan, tetapi dalam tiub B lebih banyak daripada dalam tiub A.

Isipadu udara yang terkunci dalam tiub A boleh dikira dengan pembahagian tiub A. Tekanan udara ini akan berbeza daripada tekanan atmosfera dengan jumlah tekanan lajur merkuri, yang ketinggiannya adalah sama dengan perbezaan tahap. merkuri dalam tiub A dan B. Apabila menaikkan tiub B, tekanan turus merkuri ditambah kepada tekanan atmosfera. Isipadu udara dalam tiub A berkurangan. Apabila tiub B diturunkan, paras merkuri di dalamnya lebih rendah daripada tiub A, dan tekanan lajur merkuri ditolak daripada tekanan atmosfera, isipadu udara dalam tiub A meningkat dengan sewajarnya.

Membandingkan nilai tekanan yang diperoleh dengan cara ini dan isipadu udara yang terkunci dalam tiub A, kita akan yakin bahawa apabila isipadu jisim udara tertentu meningkat dengan bilangan kali tertentu, tekanannya berkurangan dengan bilangan yang sama. dan begitu juga sebaliknya. Suhu udara dalam tiub semasa eksperimen ini boleh dianggap malar.

Jadi, tekanan jisim gas tertentu pada suhu malar adalah berkadar songsang dengan isipadu gas(undang-undang Boyle-Mariotte).

Untuk gas jarang, undang-undang Boyle–Mariotte berpuas hati dengan tahap ketepatan yang tinggi. Untuk gas yang sangat mampat atau disejukkan, penyelewengan yang ketara daripada undang-undang ini ditemui.

Formula menyatakan undang-undang Boyle–Mariotte. Mari kita nyatakan jilid awal dan akhir dengan huruf V 1 Dan V 2 dan tekanan awal dan akhir dalam huruf p 1 Dan p2. Berdasarkan keputusan eksperimen di atas, kita boleh menulis

p 1 / p2 = V 2 / V 1 (3) p 1 V 1=p 2 V 2 (4)

Formula (4) ialah satu lagi ungkapan undang-undang Boyle–Mariotte. Maksudnya begitu untuk jisim gas tertentu, hasil darab isipadu gas dan tekanannya semasa proses isoterma kekal tidak berubah.

Formula (3) dan (4) juga boleh digunakan jika proses menukar isipadu gas tidak seisoterma, tetapi perubahan suhu adalah sedemikian rupa sehingga pada permulaan dan pada akhir proses suhu jisim gas tertentu. adalah sama.

Untuk gas jarang, undang-undang Boyle–Mariotte berpuas hati dengan tahap ketepatan yang tinggi, dan dengan syarat suhu kekal malar, produk pV untuk jisim gas tertentu boleh dianggap malar. Tetapi dalam kes peralihan kepada tekanan yang sangat tinggi, sisihan yang ketara daripadanya dikesan. Dengan peningkatan beransur-ansur dalam tekanan jisim gas tertentu, produk pV pada mulanya ia berkurangan dengan ketara dan kemudian mula meningkat, mencapai nilai beberapa kali lebih tinggi daripada yang sepadan dengan gas jarang.

Di tengah-tengah silinder, ditutup pada kedua-dua hujungnya, terdapat omboh (Rajah 9). Tekanan gas dalam kedua-dua bahagian ialah 750 mm Hg. Seni. Omboh bergerak supaya isipadu gas di sebelah kanan menjadi separuh. Apakah perbezaan tekanan? (Jawapan: 1000 mmHg)

Dua kapal dengan kapasiti 4.5 l dan 12.5 l disambungkan dengan tiub dengan paip. Yang pertama mengandungi gas pada tekanan 20 kgf/cm2. Pada yang kedua terdapat sejumlah kecil gas yang boleh diabaikan. Apakah tekanan yang akan diwujudkan dalam kedua-dua kapal jika paip dibuka? (Jawapan: 5.3 kgf/cm2)

Dalam teknologi, graf sering digunakan menunjukkan pergantungan tekanan gas pada isipadunya. Anda boleh melukis graf seperti ini untuk proses isoterma. Kami memplot isipadu gas di sepanjang paksi absis, dan tekanannya di sepanjang paksi ordinat. Biarkan tekanan jisim gas tertentu dengan isipadu 1 m 3 bersamaan dengan 3.6 kgf/cm 2. Berdasarkan undang-undang Boyle-Mariotte, kita mengira bahawa dengan isipadu 2 m 3 tekanan ialah 3.6'0.5 kgf/cm 2 =
1.8 kgf/cm2. Meneruskan pengiraan ini, kami memperoleh jadual berikut:

Jadual 5

V, m 3 1,2 1,5 1,8 2,3 2,7 3,5 4,5 5,5 R, kgf/cm 2 3,6 3,0 2,4 2,0 1,8 1,6 1,3 1,2 1,03 0,9 0,8 0,72 0,65 0,6

Jika kita memplot data ini dalam bentuk titik, abscissasnya ialah nilai V, dan ordinat ialah nilai yang sepadan R, kita memperoleh garis melengkung (hiperbola) - graf proses isoterma dalam gas.

Hubungan antara ketumpatan gas dan tekanannya. Ketumpatan bahan ialah jisim yang terkandung dalam isipadu unit. Jika, sebagai contoh, isipadu gas dikurangkan sebanyak lima kali, maka ketumpatan gas juga akan meningkat sebanyak lima kali. Pada masa yang sama, tekanan gas akan meningkat. Jika suhu tidak berubah, maka, seperti yang ditunjukkan oleh undang-undang Boyle-Mariotte, tekanan juga akan meningkat lima kali ganda. Daripada contoh ini jelas bahawa dalam proses isoterma, tekanan gas berubah secara berkadar langsung dengan ketumpatannya.

Jika ketumpatan gas pada tekanan p 1 dan p 2 adalah sama dengan ρ 1 dan ρ 2, maka kita boleh menulis

ρ 1 / ρ 2 = p 1 / p2 (5)

Keputusan penting ini boleh dianggap sebagai satu lagi ungkapan yang lebih penting bagi undang-undang Boyle–Mariotte. Hakikatnya ialah bukannya isipadu gas, yang bergantung pada keadaan rawak - pada jisim gas yang dipilih - formula (5) termasuk ketumpatan gas, yang, seperti tekanan, mencirikan keadaan gas dan tidak tidak bergantung sama sekali pada rawak memilih jisimnya.

Ketumpatan hidrogen pada tekanan 1.00 kgf/cm2 dan suhu 16 °C ialah 0.085 kg/m3. Tentukan jisim hidrogen yang terkandung dalam silinder 20 liter jika tekanan
80 kgf/cm2 dan suhu ialah 16 °C. ( Jawab: 0.136 kg).

Tafsiran molekul undang-undang Boyle-Mariotte. Jika ketumpatan gas berubah, maka bilangan molekul per unit isipadu berubah dengan faktor yang sama. Jika gas tidak terlalu mampat dan pergerakan molekul boleh dianggap bebas sepenuhnya antara satu sama lain, maka bilangan pukulan N per unit masa per unit luas permukaan dinding kapal adalah berkadar dengan bilangan molekul n per unit isipadu. Akibatnya, jika kelajuan purata molekul tidak berubah dari semasa ke semasa (dalam makrokosmos ini bermakna suhu malar), maka tekanan gas mestilah berkadar dengan bilangan molekul. n per unit isipadu, i.e. ketumpatan gas. Oleh itu, undang-undang Boyle-Mariotte adalah pengesahan yang sangat baik tentang idea kami tentang sifat gas.

Walau bagaimanapun, seperti yang dikatakan, undang-undang Boyle-Mariotte tidak lagi dibenarkan jika kita beralih kepada tekanan tinggi. Dan keadaan ini boleh dijelaskan, seperti yang dipercayai oleh M.V. Lomonosov, berdasarkan konsep molekul.

Di satu pihak, dalam gas yang sangat termampat saiz molekul itu sendiri adalah setanding dengan jarak antara mereka. Oleh itu, ruang bebas di mana molekul bergerak adalah kurang daripada jumlah isipadu gas. Keadaan ini meningkatkan bilangan impak molekul pada dinding, kerana ia mengurangkan jarak molekul mesti terbang untuk mencapai dinding.

Sebaliknya, dalam gas yang sangat mampat dan oleh itu lebih tumpat, molekul lebih ketara tertarik kepada molekul lain berbanding molekul dalam gas jarang. Ini, sebaliknya, mengurangkan bilangan impak molekul pada dinding, kerana dengan adanya tarikan kepada molekul lain, molekul gas bergerak ke arah dinding pada kelajuan yang lebih rendah daripada jika tiada tarikan. Pada tekanan yang tidak terlalu tinggi, keadaan kedua adalah lebih penting, dan produk pV berkurangan sedikit. Pada tekanan yang sangat tinggi, keadaan dan produk pertama memainkan peranan yang lebih besar pV bertambah.

Jadi, kedua-dua undang-undang Boyle-Mariotte dan penyimpangan daripadanya mengesahkan teori molekul.

Perubahan isipadu gas dengan perubahan suhu. Sekarang mari kita tentukan bagaimana gas berkelakuan jika suhu dan isipadunya berubah, tetapi tekanannya kekal malar. Mari kita pertimbangkan pengalaman ini. Marilah kita menyentuh dengan tapak tangan kita sebuah bekas di mana tiang mendatar merkuri memerangkap jisim udara tertentu. Gas di dalam kapal menjadi panas, tekanannya meningkat, dan lajur merkuri mula bergerak. Pergerakan lajur akan berhenti apabila, disebabkan peningkatan isipadu udara di dalam kapal, tekanannya menjadi sama dengan tekanan luaran. Oleh itu, isipadu udara meningkat apabila dipanaskan, tetapi tekanan kekal tidak berubah.

Jika kita tahu bagaimana suhu udara di dalam kapal berubah dalam eksperimen kami, dan mengukur bagaimana isipadu gas berubah, kita boleh mengkaji fenomena ini dari perspektif kuantitatif.

Undang-undang Gay-Lussac. Kajian kuantitatif tentang pergantungan isipadu gas pada suhu pada tekanan malar telah dijalankan pada tahun 1802 oleh ahli fizik dan kimia Perancis Joseph Louis Gay-Lussac (1778–1850).

Eksperimen telah menunjukkan bahawa pertambahan isipadu gas adalah berkadar dengan peningkatan suhu. Oleh itu, pengembangan haba gas boleh, seperti untuk badan lain, dicirikan menggunakan pekali suhu pengembangan isipadu β. Ternyata untuk gas undang-undang ini diperhatikan jauh lebih baik daripada untuk pepejal dan cecair, supaya pekali suhu pengembangan isipadu gas adalah nilai yang hampir malar walaupun dengan perubahan suhu yang sangat ketara (manakala untuk cecair dan pepejal ketekalan ini diperhatikan. hanya lebih kurang):

b= (V " –V) /V 0 (t " – t) (6)

Eksperimen Gay-Lussac dan lain-lain mendedahkan hasil yang luar biasa. Ternyata pekali suhu pengembangan isipadu β kerana semua gas adalah sama (lebih tepat, hampir sama) dan sama dengan 1/273 °C -1. Isipadu bagi jisim gas tertentu apabila dipanaskan ke 1 °C pada tekanan malar meningkat sebanyak 1/273 daripada isipadu jisim gas ini 0 °C (Hukum Gay-Lussac).

Seperti yang dapat dilihat, pekali suhu pengembangan isipadu gas β bertepatan dengan pekali tekanan suhu mereka α .

Perlu diingatkan bahawa pengembangan haba gas adalah sangat ketara, supaya isipadu gas V 0 pada 0 °C adalah ketara berbeza daripada isipadu pada yang lain, contohnya, suhu bilik. Oleh itu, dalam kes gas, adalah mustahil untuk menggantikan isipadu dalam formula (6) tanpa ralat yang ketara V 0 kelantangan V. Selaras dengan ini, adalah mudah untuk memberikan formula pengembangan untuk gas dalam bentuk berikut. Untuk volum awal kita ambil volum V 0 pada 0 °C. Dalam kes ini, kenaikan suhu gas τ sama dengan suhu t diukur pada skala Celsius. Oleh itu, pekali suhu pengembangan isipadu

β = (V – V 0) /V 0 t, Þ V = V 0 (1+βt). (7) Kerana β = 1/273 °C -1, kemudian V = V 0 (1+t/273). (8)

Formula (7) boleh digunakan untuk mengira isipadu pada suhu setinggi
0 °C dan di bawah 0 °C. Dalam kes kedua t akan mempunyai nilai negatif. Walau bagaimanapun, perlu diingat bahawa undang-undang Gay-Lussac tidak berlaku apabila gas sangat dimampatkan atau disejukkan sehingga mendekati keadaan cair. Dalam kes ini, formula (8) tidak boleh digunakan.

Perlawanan peluang α Dan β , termasuk dalam undang-undang Charles dan undang-undang Gay-Lussac, bukan secara kebetulan. Adalah mudah untuk melihat bahawa kerana gas mematuhi undang-undang Boyle–Mariotte, maka α Dan β mestilah sama antara satu sama lain. Sesungguhnya, biarkan jisim gas tertentu mempunyai isipadu pada suhu 0 °C V 0 dan tekanan hlm 0 . Mari panaskan sehingga suhu t pada isipadu tetap. Kemudian tekanannya, mengikut undang-undang Charles, akan sama dengan hlm = hlm 0 (1+α t). Sebaliknya, mari kita panaskan jisim gas yang sama kepada suhu t pada tekanan tetap. Kemudian, mengikut undang-undang Gay-Lussac, jumlahnya akan menjadi sama V = V 0 (1+βt). Jadi, jisim gas tertentu boleh mempunyai pada suhu t kelantangan V 0 dan tekanan hlm = hlm 0 (1+ αt) atau isipadu V = V 0 (1+βt) dan tekanan hlm 0 .

Mengikut undang-undang Boyle–Mariotte V 0 hlm = Vp 0, iaitu

V 0 hlm 0 (1+ α t) = V 0 hlm 0 (1+βt), Þ α = β

Isipadu belon pada 0 °C ialah 820 m 3 . Apakah isipadu bola ini jika, di bawah pengaruh sinaran Matahari, gas di dalamnya dipanaskan hingga 15 °C? Abaikan perubahan jisim gas kerana kebocoran dari cangkerang dan perubahan tekanannya. ( Jawab: 865 m 3).

Undang-undang Clayperon–Mendeleev: pV=RT , Di mana R– pemalar gas 8.31 J/mol´deg. Undang-undang ini dipanggil persamaan gas ideal keadaan. Ia diperoleh pada tahun 1834 oleh ahli fizik dan jurutera Perancis B. Clayperon dan digeneralisasikan pada tahun 1874 oleh D.I. Mendeleev untuk sebarang jisim gas (pada mulanya Clayperon memperoleh persamaan ini hanya untuk 1 mol bahan gas ideal).

pV=RT, Þ pV/T=R=const.

Terdapat dua silinder. Satu mengandungi gas mampat, satu lagi cecair. Tekanan dan suhu kedua-dua gas adalah sama. Tentukan silinder yang manakah telah mengumpul lebih banyak tenaga? Dan, oleh itu, silinder yang manakah lebih berbahaya? Abaikan sifat kimia gas. (Jawapan: dengan gas cecair).

Mari kita terangkan penyelesaian kepada masalah dengan contoh.

Penyahtekanan kapal tekanan yang tidak terkawal mewujudkan bahaya letupan fizikal atau kimia. Mari kita jelaskan perkara ini menggunakan sistem wap air.

Pada tekanan atmosfera, air mendidih pada 100 °C dalam bekas terbuka. Dalam bekas tertutup dalam dandang stim, contohnya, air mendidih pada 100 °C, tetapi wap yang dihasilkan menekan pada permukaan air dan berhenti mendidih. Agar air terus mendidih di dalam dandang, ia mesti dipanaskan pada suhu yang sepadan dengan tekanan wap. Sebagai contoh, tekanan 6'10 5 Pa sepadan dengan suhu +169 °C,
8'10 5 Pa – +171 °C, 12'10 5 Pa – +180 °C, dsb.

Jika, selepas memanaskan air, sebagai contoh, hingga 189 °C, anda berhenti membekalkan haba ke relau dandang dan menggunakan wap seperti biasa, maka air akan mendidih sehingga suhu turun di bawah 100 °C. Lebih-lebih lagi, semakin cepat tekanan dalam dandang berkurangan, semakin sengit pembentukan wap dan pendidihan disebabkan oleh tenaga haba yang berlebihan yang terkandung dalam air. Tenaga haba yang berlebihan ini, apabila tekanan turun dari maksimum kepada atmosfera, dibelanjakan sepenuhnya untuk pengewapan. Sekiranya berlaku pecah mekanikal dinding dandang atau vesel, keseimbangan dalaman dalam dandang terganggu dan penurunan mendadak dalam tekanan kepada tekanan atmosfera berlaku.

Dalam kes ini, sejumlah besar wap terbentuk (dari 1 m 3 air - 1700 m 3 stim, pada tekanan normal), yang membawa kepada kemusnahan kapal dan pergerakannya disebabkan oleh daya reaktif yang terhasil, yang menyebabkan kemusnahan. Akibatnya, tanpa mengira tekanan operasi dalam dandang, bahayanya bukan terletak pada wap yang mengisi ruang stim dandang, tetapi dalam air yang dipanaskan melebihi 100 °C, yang mempunyai rizab tenaga yang besar dan sedia untuk menguap pada bila-bila masa. dengan penurunan tekanan yang mendadak.

Isipadu 1 kg wap tepu kering (isipadu khusus) bergantung kepada tekanan: semakin tinggi tekanan, semakin kurang isipadu 1 kg stim.

Pada 20 kgf/cm2, isipadu yang diduduki oleh 1 kg stim hampir 900 kali lebih besar daripada isipadu 1 kg air. Jika stim ini, tanpa mengubah suhu, dimampatkan sebanyak 2 kali, i.e. sehingga 40 kgf/cm 2, maka isipadunya juga akan berkurangan sebanyak 2 kali ganda. Air tidak boleh dimampatkan;

Jelas sekali, proses yang sama berlaku dalam silinder yang diisi dengan gas cecair. Semakin besar perbezaan antara takat didih gas tertentu dalam keadaan normal dan takat didih pada tekanan tertentu dalam silinder, semakin tinggi bahaya sekiranya berlaku kerosakan mekanikal pada integriti silinder.

Dalam kes ini, bahaya bukan terletak pada jumlah tekanan gas dalam silinder, tetapi pada tenaga yang dibelanjakan untuk mencairkan gas.

Arahan

Dalam kes ini, jisim molar M boleh didapati dari jadual D.I. Mendeleev. Untuk nitrogen ialah 12 g/mol. Kemudian:

V=0.05*12*8.31*333/30*12≈4.61.

Jika isipadu dalam keadaan biasa diketahui, dan isipadu dalam keadaan lain adalah yang dikehendaki, gunakan undang-undang Boyle-Mariotte dan Gay-Lussac:

pV/T=pnVн/Tн.

Dalam kes ini, susun semula formula seperti berikut:

pV*Tn=pnVn*T.

Oleh itu isipadu V adalah sama dengan:

V=pnVн*T/p*Tн.

Indeks n bermaksud nilai parameter tertentu dalam keadaan normal.

Jika kita mempertimbangkan isipadu gas dari sudut pandangan termodinamik, ada kemungkinan daya boleh bertindak ke atas gas kerana isipadunya berubah. Dalam kes ini, tekanan gas adalah malar, iaitu untuk proses isobaric. Semasa proses sedemikian, volum berubah dari satu nilai ke nilai yang lain. Mereka boleh ditetapkan sebagai V1 dan V2. Dalam beberapa masalah, gas tertentu yang terletak di bawah omboh di dalam kapal diterangkan. Apabila gas ini mengembang, omboh bergerak pada jarak tertentu dl, menghasilkan kerja:

Jika ia adalah jasad pepejal, maka zarah bergetar pada nod kekisi kristal, dan jika ia adalah gas, maka zarah bergerak bebas dalam isipadu bahan, berlanggar antara satu sama lain. Suhu bahan adalah berkadar dengan keamatan pergerakan. Dari sudut pandangan fizik, ini bermakna suhu adalah berkadar terus dengan tenaga kinetik zarah bahan, yang seterusnya, ditentukan oleh kelajuan pergerakan zarah dan jisimnya.

Semakin tinggi suhu badan, semakin besar tenaga kinetik purata zarah. Fakta ini dicerminkan dalam formula untuk tenaga kinetik gas ideal, sama dengan hasil darab , pemalar dan suhu Boltzmann.

Kesan isipadu pada suhu

Bayangkan struktur dalaman gas. Gas boleh dianggap ideal, keanjalan mutlak perlanggaran molekul antara satu sama lain. Gas mempunyai suhu tertentu, iaitu sejumlah tenaga kinetik zarah. Setiap zarah terkena bukan sahaja zarah lain, tetapi juga dinding kapal yang mengehadkan isipadu bahan.

Jika isipadu gas bertambah, iaitu gas mengembang, maka bilangan perlanggaran zarah dengan dinding kapal dan antara satu sama lain berkurangan disebabkan oleh peningkatan dalam laluan bebas setiap molekul. Pengurangan dalam bilangan perlanggaran membawa kepada penurunan tekanan gas, tetapi kinetik purata keseluruhan tidak berubah, kerana proses perlanggaran zarah tidak menjejaskan nilainya dalam apa jua cara. Oleh itu, apabila gas ideal mengembang, suhu tidak berubah. Proses ini dipanggil isoterma, iaitu proses dengan suhu malar.

Sila ambil perhatian bahawa kesan suhu malar semasa pengembangan gas ini adalah berdasarkan andaian bahawa ia adalah ideal, dan juga pada fakta bahawa apabila zarah berlanggar dengan dinding kapal, zarah tidak kehilangan tenaga. Jika gas tidak, maka apabila ia mengembang, bilangan perlanggaran yang membawa kepada kehilangan tenaga berkurangan, dan penurunan suhu menjadi kurang tajam. Dalam amalan, keadaan ini sepadan dengan termostat bahan gas, yang mengurangkan kehilangan tenaga yang menyebabkan penurunan suhu.

Video mengenai topik

Apabila kita tidak berurusan dengan gas, tetapi dengan badan pepejal atau cecair, kita tidak mempunyai kaedah langsung seperti itu untuk kita gunakan untuk menentukan kelajuan molekul badan. Walau bagaimanapun, walaupun dalam kes ini tidak ada keraguan bahawa dengan peningkatan suhu kelajuan pergerakan molekul meningkat.

Perubahan suhu gas apabila isipadunya berubah. Proses adiabatik dan isoterma.

Kami telah menetapkan bagaimana tekanan gas bergantung pada suhu jika isipadu kekal tidak berubah. Sekarang mari kita lihat bagaimana tekanan jisim gas tertentu berubah bergantung pada isipadu yang didudukinya jika suhu kekal tidak berubah. Walau bagaimanapun, sebelum beralih kepada isu ini, kita perlu memikirkan cara mengekalkan suhu pemalar gas. Untuk melakukan ini, adalah perlu untuk mengkaji apa yang berlaku kepada suhu gas jika isipadunya berubah dengan cepat sehingga hampir tiada pertukaran haba antara gas dan badan di sekelilingnya.

Jom buat eksperimen ini. Dalam tiub berdinding tebal yang diperbuat daripada bahan lutsinar, ditutup pada satu hujung, kami meletakkan bulu kapas, sedikit dibasahkan dengan eter, dan ini akan menghasilkan campuran wap eter dan udara di dalam tiub, yang meletup apabila dipanaskan. Kemudian dengan cepat tolak omboh yang dipasang rapat ke dalam tiub. Kita akan melihat letupan kecil berlaku di dalam tiub. Ini bermakna apabila campuran wap eter dan udara dimampatkan, suhu campuran meningkat dengan mendadak. Fenomena ini cukup difahami. Dengan memampatkan gas dengan daya luaran, kami menghasilkan kerja, akibatnya tenaga dalaman gas sepatutnya meningkat; Inilah yang berlaku - gas menjadi panas.

Sekarang mari kita benarkan gas mengembang dan melakukan kerja melawan daya tekanan luar. Ini boleh dilakukan. Biarkan botol besar mengandungi udara termampat pada suhu bilik. Dengan menyambungkan botol dengan udara luar, kami akan memberi udara dalam botol peluang untuk mengembang, meninggalkan yang kecil. lubang ke luar, dan letakkan termometer atau kelalang dengan tiub dalam aliran udara yang mengembang. Termometer akan menunjukkan suhu yang ketara lebih rendah daripada suhu bilik, dan penurunan dalam tiub yang dipasang pada kelalang akan mengalir ke arah kelalang, yang juga akan menunjukkan penurunan suhu udara dalam aliran. Ini bermakna apabila gas mengembang dan pada masa yang sama berfungsi, ia menjadi sejuk dan tenaga dalamannya berkurangan. Adalah jelas bahawa pemanasan gas semasa pemampatan dan penyejukan semasa pengembangan adalah ungkapan undang-undang pemuliharaan tenaga.

Jika kita beralih kepada mikrokosmos, fenomena pemanasan gas semasa pemampatan dan penyejukan semasa pengembangan akan menjadi agak jelas. Apabila molekul terkena dinding pegun dan melantun darinya, kelajuan, dan oleh itu tenaga kinetik molekul, secara purata adalah sama seperti sebelum memukul dinding. Tetapi jika molekul mencecah dan melantun dari omboh yang memajukan, kelajuan dan tenaga kinetiknya lebih besar daripada sebelum ia terkena omboh (sama seperti kelajuan bola tenis meningkat apabila ia dipukul ke arah yang bertentangan dengan raket). Omboh memajukan memindahkan tenaga tambahan kepada molekul yang dipantulkan daripadanya. Oleh itu, tenaga dalaman gas meningkat semasa pemampatan. Apabila melantun dari omboh berundur, kelajuan molekul berkurangan, kerana molekul itu berfungsi dengan menolak omboh berundur. Oleh itu, pengembangan gas yang berkaitan dengan penarikan balik omboh atau lapisan gas di sekeliling disertai dengan kerja dan membawa kepada penurunan tenaga dalaman gas.

Jadi, pemampatan gas oleh daya luar menyebabkan ia menjadi panas, dan pengembangan gas disertai dengan penyejukannya. Fenomena ini selalu berlaku pada tahap tertentu, tetapi saya perhatikan dengan ketara apabila pertukaran haba dengan badan di sekeliling diminimumkan, kerana pertukaran sedemikian boleh, pada tahap yang lebih besar atau lebih kecil, mengimbangi perubahan suhu.

Proses di mana pemindahan haba sangat diabaikan sehingga boleh diabaikan dipanggil adiabatik.

Mari kita kembali kepada soalan yang dikemukakan pada permulaan bab. Bagaimana untuk memastikan suhu gas malar walaupun terdapat perubahan dalam isipadunya? Jelas sekali, untuk melakukan ini, adalah perlu untuk terus memindahkan haba ke gas dari luar jika ia mengembang, dan untuk terus mengeluarkan haba daripadanya, memindahkannya ke badan sekeliling jika gas dimampatkan. Khususnya, suhu gas kekal agak malar jika pengembangan atau pemampatan gas sangat perlahan, dan pemindahan haba dari luar atau luar boleh berlaku dengan kelajuan yang mencukupi. Dengan pengembangan yang perlahan, haba dari badan di sekeliling dipindahkan ke gas dan suhunya berkurangan sedikit sehingga penurunan ini boleh diabaikan. Dengan mampatan perlahan, haba, sebaliknya, dipindahkan dari gas ke badan di sekelilingnya, dan akibatnya suhunya meningkat hanya dengan sedikit.

Proses di mana suhu dikekalkan malar dipanggil isoterma.

Undang-undang Boyle - Mariotte

Sekarang mari kita beralih kepada kajian yang lebih terperinci tentang persoalan bagaimana tekanan jisim gas tertentu berubah jika suhunya kekal tidak berubah dan hanya isipadu gas berubah. Kami telah mengetahui bahawa proses isoterma sedemikian dijalankan di bawah keadaan bahawa suhu badan yang mengelilingi gas adalah malar dan isipadu gas berubah dengan perlahan sehingga suhu gas pada bila-bila masa proses tidak berbeza dengan suhu badan sekeliling.

Oleh itu, kami mengemukakan soalan: bagaimana isipadu dan tekanan berkaitan antara satu sama lain semasa perubahan isoterma dalam keadaan gas? Pengalaman harian mengajar kita bahawa apabila isipadu jisim gas tertentu berkurangan, tekanannya meningkat. Contohnya ialah peningkatan keanjalan apabila melambung bola sepak, basikal atau tayar kereta. Persoalannya timbul: bagaimana sebenarnya tekanan gas meningkat dengan penurunan isipadu jika suhu gas kekal tidak berubah?

Jawapan kepada soalan ini diberikan melalui penyelidikan yang dijalankan pada abad ke-17 oleh ahli fizik dan kimia Inggeris Robert Boyle (1627-1691) dan ahli fizik Perancis Eden Marriott (1620-1684).

Eksperimen yang mewujudkan hubungan antara isipadu dan tekanan gas boleh dihasilkan semula: pada dirian menegak yang dilengkapi dengan bahagian, terdapat tiub kaca A dan B, disambungkan oleh tiub getah C. Merkuri dituangkan ke dalam tiub. Tiub B terbuka di bahagian atas, dan tiub A mempunyai paip. Marilah kita menutup injap ini, dengan itu mengunci jisim udara tertentu dalam tiub A. Selagi kita tidak menggerakkan tiub, tahap merkuri dalam kedua-dua tiub adalah sama. Ini bermakna tekanan udara yang terperangkap dalam tiub A adalah sama dengan tekanan udara sekeliling.

Sekarang mari kita naikkan tiub B secara perlahan-lahan. Kita akan lihat bahawa merkuri dalam kedua-dua tiub akan meningkat, tetapi tidak sama: dalam tiub B tahap merkuri akan sentiasa lebih tinggi daripada di A. Jika kita menurunkan tiub B, maka tahap merkuri di kedua-dua siku berkurangan, tetapi dalam tiub B penurunan lebih besar daripada di A.

Isipadu udara yang terkunci dalam tiub A boleh dikira dengan pembahagian tiub A. Tekanan udara ini akan berbeza daripada tekanan atmosfera dengan tekanan lajur merkuri, yang ketinggiannya adalah sama dengan perbezaan tahap merkuri dalam tiub A dan B. Apabila. Apabila tiub dinaikkan, tekanan lajur merkuri ditambah kepada tekanan atmosfera. Isipadu udara dalam A berkurangan. Apabila tiub B diturunkan, paras merkuri di dalamnya lebih rendah daripada di A, dan tekanan lajur merkuri ditolak daripada tekanan atmosfera; isipadu udara dalam A meningkat dengan sewajarnya.