Hızla sıkıştırıldığında sıcaklık nasıl değişir? Hacmi değiştiğinde gazın sıcaklığındaki değişiklik

Hacim değişmeden kalırsa gaz basıncının sıcaklığa nasıl bağlı olduğunu belirledik. Şimdi belirli bir gaz kütlesinin sıcaklığının değişmemesi durumunda kapladığı hacme bağlı olarak basıncının nasıl değiştiğini görelim. Ancak bu konuya geçmeden önce gazın sıcaklığını nasıl sabit tutacağımızı bulmamız gerekiyor. Bunu yapmak için, bir gazın hacmi o kadar hızlı değişirse, gaz ile çevredeki cisimler arasında neredeyse hiç ısı alışverişi olmazsa, sıcaklığına ne olacağını incelemek gerekir.

Bu deneyi yapalım. Şeffaf malzemeden (pleksiglas veya cam) kalın duvarlı bir tüpün içine, bir ucu kapalı, eterle hafifçe nemlendirilmiş pamuk yünü yerleştiriyoruz ve bu, tüpün içinde ısıtıldığında patlayan eter buharının hava ile karışımını oluşturacaktır. . Daha sonra sıkıca oturan pistonu hızlı bir şekilde borunun içine itin (Şek. 378). Tüpün içinde küçük bir patlamanın meydana geldiğini göreceğiz. Bu, eter buharı ve hava karışımı sıkıştırıldığında karışımın sıcaklığının keskin bir şekilde arttığı anlamına gelir. Bu fenomen oldukça anlaşılır. Bir gazı dış kuvvetle sıkıştırarak iş üretiriz, bunun sonucunda gazın iç enerjisinin artması gerekir; Olan buydu; gaz ısındı.

Pirinç. 378. Pistonu kalın duvarlı bir cam tüpün içine hızlı bir şekilde iterek tüpün içindeki yüksek derecede yanıcı pamuk yününün alev almasını sağlıyoruz.

Şimdi gaza genişleme ve dış basınç kuvvetlerine karşı iş yapma fırsatı verelim. Bu, örneğin şu şekilde yapılabilir (Şekil 379). Büyük şişenin oda sıcaklığında basınçlı hava içermesine izin verin. Şişedeki havaya, dışarı doğru küçük bir delikten çıkarak genişleme fırsatı verelim ve genişleyen hava akımına, Şekil 2'de gösterilen bir termometre veya tüplü bir şişe yerleştirelim. 384. Termometre oda sıcaklığından daha düşük bir sıcaklık gösterecek ve şişeye bağlı tüpteki bir damla şişeye doğru akacak, bu aynı zamanda akıştaki havanın sıcaklığındaki bir azalmayı da gösterecektir. Bu, bir gazın genleştiğinde ve aynı zamanda iş yaptığında soğuduğu ve iç enerjisinin azaldığı anlamına gelir. Bir gazın sıkışma sırasında ısınması ve genleşme sırasında soğumasının enerjinin korunumu yasasının bir ifadesi olduğu açıktır.

Pirinç. 379. Genişleyen bir hava akımına yerleştirilen termometre 2, termometre 1'den daha düşük bir sıcaklık gösteriyor

Mikrokozmosa dönersek, sıkıştırma sırasında gazın ısınması ve genleşme sırasında soğuması olgusu oldukça netleşecektir. Bir molekül sabit bir duvara çarpıp oradan sektiğinde, molekülün hızı ve dolayısıyla kinetik enerjisi ortalama olarak duvara çarpmadan öncekiyle aynıdır. Ancak bir molekül ilerleyen bir pistona çarpıp geri sekerse, hızı ve kinetik enerjisi pistona çarpmadan öncekinden daha büyük olur (tıpkı bir tenis topunun raketle ters yönde vurulduğunda hızının artması gibi). İlerleyen piston, kendisinden yansıyan moleküle ek enerji aktarır. Bu nedenle sıkıştırma sırasında bir gazın iç enerjisi artar. Geri çekilen pistondan geri sıçrarken molekülün hızı azalır, çünkü molekül geri çekilen pistonu iterek iş yapar. Bu nedenle, pistonun veya çevredeki gaz katmanlarının geri çekilmesiyle ilişkili gazın genleşmesine iş eşlik eder ve gazın iç enerjisinde bir azalmaya yol açar.

Yani bir gazın dış bir kuvvet tarafından sıkıştırılması onun ısınmasına neden olur ve gazın genleşmesine de soğuması eşlik eder. Bu olay her zaman bir dereceye kadar meydana gelir, ancak çevredeki cisimlerle ısı alışverişi en aza indirildiğinde özellikle fark edilir, çünkü bu tür bir alışveriş, sıcaklık değişikliklerini daha fazla veya daha az ölçüde telafi edebilir. Dış ortamla ısı alışverişinin olmadığı süreçlere adyabatik denir.

Paragrafın başında sorduğumuz soruya dönelim. Hacimindeki değişikliklere rağmen sabit gaz sıcaklığı nasıl sağlanır? Açıkçası, bunu yapmak için, gaz genişliyorsa sürekli olarak dışarıdan gaza ısı aktarmak, gaz sıkıştırılmışsa onu sürekli olarak çevredeki cisimlere aktararak ısıyı sürekli olarak uzaklaştırmak gerekir. Özellikle, gazın genleşmesi veya sıkışması çok yavaşsa ve dış ortamla ısı alışverişi oldukça hızlı gerçekleşirse, gaz sıcaklığı neredeyse sabit kalır. Yavaş genleşme ile çevredeki cisimlerden ısı gaza aktarılır ve sıcaklığı o kadar az düşer ki bu azalma ihmal edilebilir. Yavaş sıkıştırmada ise ısı gazdan çevredeki cisimlere aktarılır ve bunun sonucunda sıcaklığı yalnızca ihmal edilebilir düzeyde artar. Sıcaklığın sabit tutulduğu işlemlere izotermal denir.

225.1. Bisiklet lastiğine hava pompalarken pompa neden gözle görülür derecede ısınıyor?

Gazların kullanımını içeren üretim süreçlerinde (dağıtma, karıştırma, pnömatik taşıma, kurutma, emme vb.), gazların hareketi ve sıkıştırılması, genel adı olan makinelerin kendilerine verdiği enerji nedeniyle meydana gelir. sıkıştırma. Aynı zamanda, sıkıştırma tesislerinin verimliliği saatte onbinlerce metreküpe ulaşabilir ve basınç, kullanılan makinelerin çok çeşitli tip ve tasarımlarını belirleyen 10–8–10 3 atm aralığında değişir. Gazları hareket ettirin, sıkıştırın ve seyreltin. Yüksek basınç oluşturmak üzere tasarlanan makinelere kompresör, vakum oluşturmak üzere çalışan makinelere ise kompresör denir. vakum pompası.

Sıkıştırma makineleri esas olarak iki kritere göre sınıflandırılır: çalışma prensibi ve sıkıştırma derecesi. Sıkıştırma oranı makinenin çıkışındaki son gaz basıncının oranıdır R 2'den başlangıç giriş basıncına P 1 (yani P 2 /P 1).

Çalışma prensibine göre sıkıştırma makineleri pistonlu, kanatlı (merkezkaç ve eksenel), döner ve jet olarak ayrılır.

Sıkıştırma derecesine göre ayırt edilirler:

– sıkıştırma oranına sahip, yüksek basınçlar oluşturmak için kullanılan kompresörler R 2 /R 1 > 3;

– Gaz boru hattı ağının yüksek dirençli gazlarını taşımak için kullanılan gaz üfleyiciler, 3 > P 2 /P 1 >1,15;

– Büyük miktarlarda gazı taşımak için kullanılan fanlar P 2 /P 1 < 1,15;

- basıncı azaltılmış (atmosferin altında) bir ortamdan gazı emen ve bunu artan (atmosferik) veya atmosferik basıncı olan bir alana pompalayan vakum pompaları.

Herhangi bir sıkıştırma makinesi vakum pompası olarak kullanılabilir; piston ve döner makineler tarafından daha derin vakumlar oluşturulur.

Damlacık sıvıların aksine, gazların fiziksel özellikleri işlevsel olarak sıcaklık ve basınca bağlıdır; gazların hareketi ve sıkıştırılması süreçleri iç termodinamik süreçlerle ilişkilidir. Basınç ve sıcaklıktaki küçük farklılıklar ile, gazların düşük hızlarda ve atmosferik basınçlara yakın basınçlarda hareketleri sırasında fiziksel özelliklerinde meydana gelen değişiklikler önemsizdir. Bu, hidroliğin tüm temel hükümlerinin ve yasalarının bunları tanımlamak için kullanılmasını mümkün kılar. Ancak normal şartlardan sapıldığında, özellikle yüksek gaz sıkıştırma oranlarında birçok hidrolik konum değişikliğe uğrar.

Gaz sıkıştırma işleminin termodinamik temelleri

Bilindiği gibi, sıcaklığın sabit basınçta gaz hacmindeki değişim üzerindeki etkisi Gay-Lussac yasasıyla belirlenir; P= Bir gazın hacmi sıcaklığıyla doğru orantılıdır:

Nerede V 1 ve V 2 - sıcaklıklarda sırasıyla gaz hacimleri T 1 ve T 2 Kelvin ölçeğinde ifade edilir.

Farklı sıcaklıklardaki gaz hacimleri arasındaki ilişki şu ilişki ile temsil edilebilir:

, (4.1)

Nerede V Ve V 0 – gazın son ve başlangıç hacimleri, m3; T Ve T 0 – son ve başlangıç gaz sıcaklığı, °C β; T– hacimsel genleşmenin bağıl katsayısı, derece. -1 .

Sıcaklığa bağlı olarak gaz basıncındaki değişim:

, (4.2)

Nerede R Ve R 0 – son ve başlangıç gaz basıncı, Pa;β R– bağıl sıcaklık basınç katsayısı, derece. -1 .

Gaz kütlesi M hacmi değiştiğinde sabit kalır. Eğer ρ 1 ve ρ 2 gazın iki sıcaklık durumunun yoğunlukları ise, o zaman
Ve
veya
, yani Sabit basınçta bir gazın yoğunluğu mutlak sıcaklığıyla ters orantılıdır.

Boyle-Mariotte kanununa göre aynı sıcaklıkta gazın özgül hacminin çarpımı v basıncının değeri hakkında R sabit bir miktar var Pv= sabit Bu nedenle sabit sıcaklıkta
, A
yani gaz yoğunluğu basınçla doğru orantılıdır, çünkü
.

Gay-Lussac denklemini hesaba katarak, bir gazın üç parametresini birbirine bağlayan bir ilişki elde edebiliriz: basınç, özgül hacim ve mutlak sıcaklık:

. (4.3)

Son denklem denir Clayperon denklemleri. Genel olarak:

veya
, (4.4)

Nerede R– izobarik bir düzende ideal bir gazın birim kütlesi başına yapılan işi temsil eden gaz sabiti ( P= const) süreci; sıcaklık 1° değiştiğinde gaz sabiti R J/(kgdeg) boyutuna sahiptir:

, (4.5)

Nerede ben R– sabit basınçta 1 kg ideal gaz tarafından gerçekleştirilen spesifik hacim değişimi işi, J/kg.

Böylece denklem (4.4) ideal bir gazın durumunu karakterize eder. 10 atm'nin üzerindeki gaz basıncında bu ifadenin kullanılması hesaplamalarda hataya neden olur ( Pv≠RT), bu nedenle gerçek bir gazın basıncı, hacmi ve sıcaklığı arasındaki ilişkiyi daha doğru şekilde tanımlayan formüllerin kullanılması önerilir. Örneğin van der Waals denklemi ile:

, (4.6)

Nerede R= 8314/M– gaz sabiti, J/(kg K); M– gazın moleküler kütlesi, kg/kmol; A Ve V- Belirli bir gaz için sabit olan değerler.

Miktarları A Ve V kritik gaz parametreleri kullanılarak hesaplanabilir ( T cr ve R cr):

;
. (4.7)

Yüksek basınçlarda değer a/v 2 (van der Waals denklemindeki ek basınç) basınca kıyasla küçüktür P ve ihmal edilebilirse, denklem (4.6) gerçek bir Dupre gazının durum denklemine dönüşür:

, (4.8)

değer nerede V yalnızca gazın türüne bağlıdır ve sıcaklık ve basınca bağlı değildir.

Uygulamada, termodinamik diyagramlar daha çok bir gazın çeşitli durumlarındaki parametrelerini belirlemek için kullanılır: T–S(sıcaklık-entropi), p–i(basıncın entalpiye bağımlılığı), P–V(basıncın hacme bağımlılığı).

Şekil 4.1 – T–S diyagram

Diyagramda T–S(Şekil 4.1) çizgisi AKB Diyagramı maddenin belirli faz durumlarına karşılık gelen ayrı bölgelere bölen bir sınır eğrisini temsil eder. Sınır eğrisinin solunda yer alan bölge sıvı faz, sağında ise kuru buhar (gaz) bölgesidir. Eğrinin sınırladığı alanda AVK ve apsis ekseninde iki faz aynı anda bir arada bulunur - sıvı ve buhar. Astar AK buharın tamamen yoğunlaşmasına karşılık gelir, burada kuruluk derecesi X= 0. Satır KV tam buharlaşmaya karşılık gelir, X = 1. Eğrinin maksimumu kritik noktaya karşılık gelir k Maddenin her üç halinin de mümkün olduğu durum. Diyagram, sınır eğrisine ek olarak sabit sıcaklık çizgilerini (izotermler, T= sabit) ve entropi ( S= const), koordinat eksenlerine paralel yönlendirilmiş, izobarlar ( P= const), sabit entalpi çizgileri ( Ben= sabit). Islak buhar bölgesindeki izobarlar izotermlerle aynı şekilde yönlendirilir; aşırı ısınmış buhar bölgesinde dik bir şekilde yukarıya doğru yön değiştirirler. Sıvı faz bölgesinde, sıvılar pratik olarak sıkıştırılamaz olduğundan izobarlar sınır eğrisiyle neredeyse birleşir.

Diyagramdaki tüm gaz parametreleri T–S 1 kg gazdan bahsediyoruz.

Çünkü termodinamik tanıma göre
, daha sonra gazın hal değişiminin ısısı
. Sonuç olarak, gazın hal değişimini tanımlayan eğrinin altındaki alan, hal değişiminin enerjisine (ısısına) sayısal olarak eşittir.

Gaz parametrelerini değiştirme işlemine durumunu değiştirme işlemi denir. Her gaz durumu parametrelerle karakterize edilir P,v Ve T. Gazın durumunun değiştirilmesi işlemi sırasında tüm parametreler değişebilir veya bunlardan biri sabit kalabilir. Bu nedenle sabit hacimde meydana gelen bir olaya denir. izokorik, sabit basınçta – izobarik ve sabit sıcaklıkta – izotermal. Gaz ile dış ortam arasında ısı alışverişi olmadığında (ısı alınmaz veya sağlanmaz), gazın üç parametresi de değişir ( P,v,T)V genişleme veya daralma süreci , süreç denir adyabatik, ve ne zaman Isının sürekli sağlanması veya uzaklaştırılmasıyla gaz parametrelerinde değişiklikler meydana gelir – politropik.

Basınç ve hacmin değişmesiyle birlikte, çevre ile ısı alışverişinin niteliğine bağlı olarak, sıkıştırma makinelerindeki gazın durumundaki değişiklik izotermal, adyabatik ve politropik olarak gerçekleşebilir.

Şu tarihte: izotermal Bu süreçte gazın durumundaki değişiklik Boyle-Mariotte yasasını takip eder:

pv = inşaat

Diyagramda p-v bu süreç bir hiperbol ile gösterilmektedir (Şekil 4.2). 1 kg gazla çalışın ben gölgeli alanla grafiksel olarak temsil edilir; bu, şuna eşittir:
, yani

veya
. (4.9)

1 kg gazın izotermal sıkıştırılması sırasında açığa çıkan ve gaz sıcaklığının sabit kalması için soğutularak uzaklaştırılması gereken ısı miktarı:

, (4.10)

Nerede C v Ve C R sırasıyla sabit hacim ve basınçta gazın özgül ısı kapasiteleridir.

Diyagramda T–S gazın basınçtan izotermal sıkıştırılması işlemi R 1 baskıya R 2 düz bir çizgiyle temsil edilir ab izobarlar arasına çizilmiş R 1 ve R 2 (Şekil 4.3).


Şekil 4.2 - Diyagramdaki izotermal gaz sıkıştırma işlemi	Şekil 4.3 - Diyagramdaki izotermal gaz sıkıştırma işlemi T–S

Sıkıştırma işine eşdeğer ısı, uç koordinatlar ve düz çizgi ile sınırlanan alanla temsil edilir. ab, yani

. (4.11)

Şekil 4.4 – Diyagramdaki gaz sıkıştırma işlemleri
:

A – adyabatik süreç;

B – izotermal süreç

İzotermal sıkıştırma işleminde harcanan işin belirlenmesine yönelik ifade yalnızca hacim ve basıncı içerdiğinden, denklem (4.4)'ün uygulanabilirlik sınırları dahilinde hangi gazın sıkıştırılacağı önemli değildir. Başka bir deyişle, herhangi bir gazın 1 m3'ünün aynı başlangıç ve son basınçlarda izotermal olarak sıkıştırılması aynı miktarda mekanik enerji gerektirir.

Şu tarihte: adyabatik Gaz sıkıştırma sürecinde, iç enerjisindeki ve dolayısıyla sıcaklıktaki değişiklik nedeniyle durumunda bir değişiklik meydana gelir.

Genel formda, adyabatik sürecin denklemi şu ifadeyle tanımlanır:

, (4.12)

Nerede
– adyabatik indeks.

Grafiksel olarak (Şekil 4.4) bu işlem şemada gösterilmiştir. p-vŞekil 2'dekinden daha dik bir hiperbol olarak gösterilecektir. 4.2., çünkü k> 1.

Eğer kabul edersek

, O
. (4.13)

Çünkü
Ve R= const, elde edilen denklem farklı şekilde ifade edilebilir:

veya
. (4.14)

Uygun dönüşümler yoluyla diğer gaz parametrelerine bağımlılıklar elde etmek mümkündür:

;
. (4.15)

Böylece, adyabatik sıkıştırmanın sonunda gazın sıcaklığı

. (4.16)

Adyabatik bir süreç koşullarında 1 kg gazın yaptığı iş:

. (4.17)

Bir gazın adyabatik sıkıştırılması sırasında açığa çıkan ısı, harcanan işe eşdeğerdir:

İlişkiler (4.15) dikkate alınarak, adyabatik bir süreç sırasında gazın sıkıştırılmasıyla ilgili çalışma

. (4.19)

Adyabatik sıkıştırma işlemi, gaz ile çevre arasında ısı alışverişinin tamamen yokluğu ile karakterize edilir; dQ = 0, bir dS = dQ/T, Bu yüzden dS = 0.

Böylece, adyabatik gaz sıkıştırma işlemi sabit entropide gerçekleşir ( S= sabit). Diyagramda T–S bu süreç düz bir çizgi ile temsil edilecektir AB(Şekil 4.5).

Şekil 4.5 - Gaz sıkıştırma işlemlerinin diyagramda gösterimi T–S

Sıkıştırma işlemi sırasında açığa çıkan ısı, izotermal işlem için gerekli olandan daha az miktarda uzaklaştırılırsa (ki bu, tüm gerçek sıkıştırma işlemlerinde gerçekleşir), o zaman harcanan gerçek iş, izotermal sıkıştırma sırasında olduğundan daha fazla ve adyabatik sırasında olduğundan daha az olacaktır:

, (4.20)

Nerede M– politropik indeks, k>M>1 (hava için M
).

Politropik indeks değeri M gazın doğasına ve çevre ile ısı alışverişinin koşullarına bağlıdır. Soğutmasız sıkıştırma makinelerinde politropik indeks adyabatik indeksten daha büyük olabilir ( M>k), yani bu durumda süreç süperadyabatik bir yol boyunca ilerliyor.

Gazların seyreltilmesi için harcanan iş, gazların sıkıştırılmasıyla ilgili çalışmalarla aynı denklemler kullanılarak hesaplanır. Tek fark şu ki R 1 atmosferik basınçtan daha az olacaktır.

Politropik sıkıştırma işlemi gaz basıncı R 1 basınca kadar R 2 incirde. 4.5 düz bir çizgi olarak gösterilecektir AC. 1 kg gazın politropik sıkıştırılması sırasında açığa çıkan ısı miktarı sayısal olarak spesifik sıkıştırma işine eşittir:

Nihai gaz sıkıştırma sıcaklığı

. (4.22)

Güç, Sıkıştırma makinelerinin gazların sıkıştırılması ve seyreltilmesi için harcadığı miktar, performanslarına, tasarım özelliklerine ve çevreyle ısı alışverişine bağlıdır.

Gaz sıkıştırması için harcanan teorik güç
, üretkenliğe ve spesifik sıkıştırma çalışmasına göre belirlenir:

, (4.23)

Nerede G Ve V- sırasıyla makinenin kütle ve hacimsel verimliliği;
– gaz yoğunluğu.

Bu nedenle, çeşitli sıkıştırma işlemleri için teorik güç tüketimi:

; (4.24)

; (4.25)

, (4.26)

Nerede – sıkıştırma makinesinin hacimsel verimliliği, emme koşullarına indirgenmiştir.

Tüketilen gerçek güç çeşitli nedenlerden dolayı daha fazladır; Makinenin tükettiği enerji, gaza aktardığından daha fazladır.

Sıkıştırma makinelerinin etkinliğini değerlendirmek için bu makinenin aynı sınıftaki en ekonomik makineyle karşılaştırılması kullanılır.

Soğutmalı makineler, gazı belirli koşullar altında izotermal olarak sıkıştıran makinelerle karşılaştırılır. Bu durumda verim izotermal olarak adlandırılır, :

, (4.27)

Nerede N– bu makinenin tükettiği gerçek güç.

Makineler soğutmadan çalışıyorsa, içlerindeki gaz sıkıştırması, indeksi adyabatik indeksten daha yüksek olan bir politrop boyunca meydana gelir ( M k). Dolayısıyla bu tür makinelerde harcanan güç, makinenin adyabatik gaz sıkıştırması sırasında harcayacağı güçle karşılaştırılır. Bu güçlerin oranı adyabatik verimliliktir:

. (4.28)

Makinedeki mekanik sürtünme nedeniyle kaybedilen gücün ve mekanik verimliliğin dikkate alınması. –  kürk, sıkıştırma makinesinin şaftına güç verin:

veya
. (4.29)

Motor gücü, verimlilik dikkate alınarak hesaplanır. motorun kendisi ve verimlilik bulaşma:

. (4.30)

Kurulu motor gücü bir marjla alınır (
):

. (4.31)

 değeri 0,930,97 arasında değişir; , sıkıştırma derecesine bağlı olarak 0,640,78 değerine sahiptir; mekanik verim 0,850,95 arasında değişir.

Hacmi değiştiğinde gazın sıcaklığındaki değişiklik. Adyabatik ve izotermal süreçler

Bunu yapmak için, bir gazın hacmi o kadar hızlı değişirse, gaz ile çevredeki cisimler arasında neredeyse hiç ısı alışverişi olmazsa, sıcaklığına ne olacağını incelemek gerekir.

Şekil 7 Bu deneyi yapalım. Şeffaf malzemeden yapılmış, bir ucu kapalı, kalın duvarlı bir tüpün içine eterle hafifçe nemlendirilmiş pamuk yünü yerleştiriyoruz ve bu, tüpün içinde ısıtıldığında patlayan bir eter buharı ve hava karışımı oluşturacaktır. Daha sonra sıkıca oturan pistonu hızlı bir şekilde borunun içine itin (Şek. 7). Tüpün içinde küçük bir patlamanın meydana geldiğini göreceğiz. Bu, eter buharı ve hava karışımı sıkıştırıldığında karışımın sıcaklığının keskin bir şekilde arttığı anlamına gelir. Bir gazı dış kuvvetle sıkıştırarak iş üretiriz, bunun sonucunda gazın iç enerjisinin artması gerekir; olan buydu - gaz ısındı.

Şimdi gaza genişleme ve dış basınç kuvvetlerine karşı iş yapma fırsatı verelim. Büyük bir şişenin oda sıcaklığında basınçlı hava içermesini sağlayın (Şek. 8). Şişedeki havaya küçük bir delikten dışarı çıkarak genişleme fırsatı verelim ve genişleyen hava akımına bir termometre yerleştirelim. Termometre oda sıcaklığından daha düşük bir sıcaklık gösterecektir. Sonuç olarak, bir gaz genleşip iş yaptığında soğur ve iç enerjisi azalır. Bir gazın sıkışma sırasında ısınması ve genleşme sırasında soğumasının enerjinin korunumu yasasının bir ifadesi olduğu açıktır.

Mikrokozmosa dönersek, genleşme sırasında sıkıştırma ve soğutma sırasında gazın ısınması olgusu oldukça netleşecektir. Bir molekül sabit bir duvara çarpıp oradan sektiğinde hız artar. A, bu nedenle molekülün kinetik enerjisi ortalama olarak duvara çarpmadan öncekiyle aynıdır. Ancak bir molekül ilerleyen bir pistona çarpıp geri sekerse, hızı ve kinetik enerjisi pistona çarpmadan öncekinden daha büyük olur (tıpkı bir tenis kılıcının hızının ters yönde bir raketle vurulduğunda artması gibi). İlerleyen piston, kendisinden yansıyan moleküle ek enerji aktarır. Bu nedenle sıkıştırma sırasında bir gazın iç enerjisi artar. Geri çekilen pistondan geri sıçrarken molekülün hızı azalır, çünkü molekül geri çekilen pistonu iterek iş yapar. Bu nedenle, pistonun veya çevredeki gaz katmanlarının geri çekilmesiyle ilişkili gazın genleşmesine iş eşlik eder ve gazın iç enerjisinde bir azalmaya yol açar.

Hacimindeki değişikliklere rağmen sabit bir gaz sıcaklığı nasıl sağlanır? Açıkçası, bunu yapmak için, gaz genişliyorsa sürekli olarak dışarıdan gaza ısı aktarmak ve gaz sıkıştırılmışsa onu sürekli olarak çevredeki cisimlere aktararak ısıyı sürekli olarak uzaklaştırmak gerekir. Özellikle, gazın genleşmesi veya sıkışması çok yavaşsa ve dış ortamla ısı alışverişi oldukça hızlı gerçekleşirse, gaz sıcaklığı neredeyse sabit kalır. Yavaş genleşme ile çevredeki cisimlerden ısı gaza aktarılır ve sıcaklığı o kadar az düşer ki bu azalma ihmal edilebilir. Yavaş sıkıştırmada ise ısı gazdan çevredeki cisimlere aktarılır ve bunun sonucunda sıcaklığı yalnızca ihmal edilebilir düzeyde artar. Sıcaklığın sabit tutulduğu işlemlere denir izotermal.

Boyle-Marriott yasası. Bir gazın durumundaki izotermal değişim sırasında hacim ve basınç birbiriyle nasıl ilişkilidir? Günlük deneyim bize, belirli bir gaz kütlesinin hacmi azaldığında basıncının arttığını öğretir. Peki gazın sıcaklığı değişmeden kalırsa, hacim azaldıkça gazın basıncı tam olarak nasıl artar?

Bu sorunun cevabı 17. yüzyılda İngiliz fizikçi ve kimyager Robert Boyle (1627 - 1691) ve Fransız fizikçi Edme Mariotte (1620 - 1684) tarafından yapılan araştırmalarla verildi.

Bir gazın hacmi ve basıncı arasındaki ilişkiyi kuran deneyler, Şekil 2'de gösterilen gaz termometresine benzer bir cihaz kullanılarak yeniden yapılabilir. 5. Bölmelerle donatılmış dikey bir stand üzerinde, kauçuk tüp C ile birbirine bağlanan cam tüpler A ve B bulunmaktadır. Tüplerin içine cıva dökülmektedir. B borusunun üst kısmı açıktır, A borusunun bir vanası vardır. Bu valfi kapatalım ve böylece A tüpünde belirli bir hava kütlesini kilitleyelim. Tüpleri hareket ettirmediğimiz sürece içlerindeki cıva seviyesi aynıdır.

Bu, A tüpünde sıkışan havanın basıncının dışarıdaki havanın basıncıyla aynı olduğu anlamına gelir. Şimdi B tüpünü yavaşça kaldıralım. Her iki tüpteki cıvanın yükseleceğini göreceğiz, ancak eşit şekilde değil: B tüpündeki cıva seviyesi her zaman A tüpündekinden daha yüksek olacaktır. B tüpünü indirirsek, o zaman B tüpündeki cıva seviyesi daha yüksek olacaktır. her iki dirsek de azalır, ancak B tüpünde A tüpüne göre daha fazladır.

A tüpünde kilitli olan havanın hacmi, A tüpünün bölümleriyle hesaplanabilir. Bu havanın basıncı, atmosferik basınçtan, yüksekliği seviyeler arasındaki farka eşit olan cıva sütununun basınç miktarı kadar farklı olacaktır. A ve B tüplerindeki cıva. B tüpünü yükseltirken, cıva kolonunun basıncı atmosfer basıncına eklenir. A tüpündeki havanın hacmi azalır. B tüpü indirildiğinde, içindeki cıva seviyesi A tüpündekinden daha düşük olur ve cıva kolonunun basıncı atmosfer basıncından çıkarılır, A tüpündeki havanın hacmi buna göre artar.

Bu şekilde elde edilen basınç değerleri ile A tüpünde kilitli olan havanın hacmini karşılaştırdığımızda, belirli bir hava kütlesinin hacmi belirli sayıda arttığında basıncının da aynı oranda azaldığına ikna olacağız. ve tam tersi. Bu deneyler sırasında tüpteki hava sıcaklığının sabit olduğu düşünülebilir.

Bu yüzden, Sabit sıcaklıkta belirli bir gaz kütlesinin basıncı, gazın hacmiyle ters orantılıdır.(Boyle-Mariotte yasası).

Seyreltilmiş gazlar için Boyle-Mariotte yasası yüksek derecede doğruluk sağlar. Yüksek oranda sıkıştırılmış veya soğutulmuş gazlar için bu yasadan gözle görülür sapmalar bulunur.

Boyle-Mariotte yasasını ifade eden formül.İlk ve son ciltleri harflerle gösterelim V1 Ve V2 ve harflerle ilk ve son baskı sayfa 1 Ve sayfa 2. Yukarıdaki deneylerin sonuçlarına dayanarak şunu yazabiliriz:

sayfa 1 / sayfa 2 = V2 / V1 (3) p 1 V 1=s 2 V 2 (4)

Formül (4) Boyle-Mariotte yasasının başka bir ifadesidir. Bu demektir Belirli bir gaz kütlesi için, izotermal bir işlem sırasında gaz hacminin ve basıncının çarpımı değişmeden kalır.

Formül (3) ve (4) aynı zamanda gazın hacmini değiştirme prosesinin izotermal olmaması ancak sıcaklık değişikliklerinin prosesin başlangıcında ve sonunda belirli bir gaz kütlesinin sıcaklığının değişeceği şekilde olması durumunda da uygulanabilir. aynıydı.

Seyreltilmiş gazlar için Boyle-Mariotte yasası yüksek derecede doğruluk sağlar ve sıcaklığın sabit kalması koşuluyla ürün pV Belirli bir gaz kütlesi için kesinlikle sabit kabul edilebilir. Ancak çok yüksek basınçlara geçiş durumunda bundan gözle görülür bir sapma tespit edilir. Belirli bir gaz kütlesinin basıncında kademeli bir artışla ürün pV ilk başta önemli ölçüde azalır ve sonra artmaya başlar ve seyreltilmiş bir gaza karşılık gelen değerlerden birkaç kat daha yüksek değerlere ulaşır.

Silindirin ortasında her iki ucu kapalı bir piston bulunmaktadır (Şek. 9). Her iki yarıdaki gaz basıncı 750 mm Hg'dir. Sanat. Piston sağdaki gazın hacmi yarıya inecek şekilde hareket eder. Basınç farkı nedir? (Cevap: 1000 mmHg)

4,5 l ve 12,5 l kapasiteli iki kap, musluklu bir tüple birbirine bağlanır. Birincisi 20 kgf/cm2 basınçta gaz içerir. İkincisinde ihmal edilebilecek az miktarda gaz var. Musluk açılırsa her iki kapta da hangi basınç oluşacaktır? (Cevap: 5,3 kgf/cm2)

Teknolojide, gaz basıncının hacmine bağımlılığını gösteren grafikler sıklıkla kullanılır. İzotermal bir süreç için buna benzer bir grafik çizebilirsiniz. Gaz hacmini apsis ekseni boyunca ve basıncını da ordinat ekseni boyunca çiziyoruz. Hacmi 1 m3 olan belirli bir gaz kütlesinin basıncının 3,6 kgf/cm2'ye eşit olduğunu varsayalım. Boyle-Mariotte yasasına dayanarak, 2 m3'lük bir hacimde basıncın 3,6'0,5 kgf/cm2 = olduğunu hesaplıyoruz.
1,8 kgf/cm2. Bu hesaplamalara devam edersek aşağıdaki tabloyu elde ederiz:

Tablo 5

V, m3 1,2 1,5 1,8 2,3 2,7 3,5 4,5 5,5 R, kgf/cm2 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

Bu verileri apsisleri değerler olan noktalar şeklinde çizersek V ve koordinatlar karşılık gelen değerlerdir R, bir gazdaki izotermal sürecin grafiği olan eğri bir çizgi (hiperbol) elde ederiz.

Gaz yoğunluğu ile basıncı arasındaki ilişki. Bir maddenin yoğunluğu birim hacimde bulunan kütledir.Örneğin gazın hacmi beş kat azalırsa, gazın yoğunluğu da beş kat artacaktır. Aynı zamanda gaz basıncı da artacaktır. Sıcaklık değişmediyse Boyle-Mariotte yasasının gösterdiği gibi basınç da beş kat artacaktır. Bu örnekten açıkça görülüyor ki izotermal bir süreçte gaz basıncı, yoğunluğuyla doğru orantılı olarak değişir.

Basınçtaki gaz yoğunluğu p 1 ve p 2ρ 1 ve ρ 2'ye eşitse yazabiliriz

ρ 1 / ρ 2 = sayfa 1 / sayfa 2 (5)

Bu önemli sonuç Boyle-Mariotte yasasının bir başka ve daha anlamlı ifadesi olarak düşünülebilir. Gerçek şu ki, rastgele bir duruma (hangi gaz kütlesinin seçildiğine) bağlı olan gazın hacmi yerine, formül (5), basınç gibi gazın durumunu karakterize eden ve kütlesinin rastgele seçimine hiç bağlı değil.

1,00 kgf/cm2 basınçta ve 16 °C sıcaklıkta hidrojenin yoğunluğu 0,085 kg/m3'tür. Basınç 20 litrelik bir silindirde bulunan hidrojenin kütlesini belirleyin.
80 kgf/cm2 ve sıcaklık 16 °C'dir. ( Cevap: 0,136kg).

Boyle-Mariotte yasasının moleküler yorumu. Bir gazın yoğunluğu değişirse, birim hacimdeki molekül sayısı da aynı oranda değişir. Gaz çok sıkıştırılmamışsa ve moleküllerin hareketi birbirinden tamamen bağımsız kabul edilebilirse darbe sayısı N damar duvarının birim yüzey alanı başına birim zamanda molekül sayısıyla orantılıdır N birim hacim başına. Sonuç olarak, eğer moleküllerin ortalama hızı zamanla değişmiyorsa (makrokozmosta bu sabit sıcaklık anlamına gelir), o zaman gaz basıncı molekül sayısıyla orantılı olmalıdır. N birim hacim başına, yani gaz yoğunluğu. Böylece Boyle-Mariotte yasası gazın doğası hakkındaki düşüncelerimizi mükemmel bir şekilde doğruluyor.

Ancak söylendiği gibi Boyle-Mariotte yasası eğer yüksek baskılara yönelirsek haklı olmaktan çıkar. Ve bu durum M.V.'nin inandığı gibi açıklanabilir. Lomonosov, moleküler kavramlara dayanmaktadır.

Bir yandan, yüksek oranda sıkıştırılmış gazlarda moleküllerin boyutları, aralarındaki mesafelerle karşılaştırılabilir. Dolayısıyla moleküllerin hareket ettiği boş alan, gazın toplam hacminden daha azdır. Bu durum, molekülün duvara ulaşması için kat etmesi gereken mesafeyi azalttığı için moleküllerin duvara çarpma sayısını artırır.

Öte yandan, oldukça sıkıştırılmış ve dolayısıyla daha yoğun bir gazda, moleküller, diğer moleküllere, seyrekleştirilmiş bir gazdaki moleküllere göre çok daha fazla fark edilir şekilde çekilir. Bu, tam tersine, moleküllerin duvar üzerindeki etki sayısını azaltır, çünkü diğer moleküllere yönelik çekim varlığında, gaz molekülleri çekimin olmadığı duruma göre duvara doğru daha düşük bir hızla hareket eder. Çok yüksek olmayan basınçlarda ikinci durum daha önemlidir ve ürün pV biraz azalır. Çok yüksek basınçlarda ilk durum ve ürün daha büyük rol oynar pV artışlar.

Yani hem Boyle-Mariotte yasası hem de ondan sapmalar moleküler teoriyi doğrulamaktadır.

Sıcaklık değişimiyle gaz hacmindeki değişim.Şimdi bir gazın sıcaklığı ve hacmi değiştiğinde ancak basıncı sabit kaldığında nasıl davranacağını belirleyelim. Bu deneyimi değerlendirelim. Yatay bir cıva sütununun belirli bir hava kütlesini hapsettiği bir kaba avuç içimizle dokunalım. Kaptaki gaz ısınır, basıncı yükselir ve cıva sütunu hareket etmeye başlar. Kabdaki hava hacmindeki artış nedeniyle basıncı dış basınca eşit olduğunda kolonun hareketi duracaktır. Böylece ısıtıldığında havanın hacmi arttı, ancak basınç değişmedi.

Eğer deneyimizde kaptaki havanın sıcaklığının nasıl değiştiğini bilseydik ve gazın hacminin nasıl değiştiğini ölçseydik, bu olayı niceliksel bir perspektiften inceleyebilirdik.

Gay-Lussac yasası. Sabit basınçta gaz hacminin sıcaklığa bağımlılığı üzerine niceliksel bir çalışma, 1802'de Fransız fizikçi ve kimyager Joseph Louis Gay-Lussac (1778-1850) tarafından gerçekleştirildi.

Deneyler şunu gösterdi Gaz hacmindeki artış sıcaklık artışıyla orantılıdır. Bu nedenle, diğer cisimler için olduğu gibi bir gaz kutusunun termal genleşmesi şu şekilde karakterize edilir: hacimsel genleşmenin sıcaklık katsayısı β. Gazlar için bu yasanın katılara ve sıvılara göre çok daha iyi gözlemlendiği ortaya çıktı, böylece gazların hacimsel genleşmesinin sıcaklık katsayısı sıcaklıkta çok önemli değişiklikler olsa bile neredeyse sabit bir değerdir (sıvılar ve katılar için bu sabitlik gözlenirken) yalnızca yaklaşık olarak):

B= (V " –V) /V 0 (T " – T) (6)

Gay-Lussac ve diğerlerinin deneyleri dikkate değer bir sonucu ortaya çıkardı. Hacimsel genleşmenin sıcaklık katsayısının olduğu ortaya çıktı β tüm gazlar için aynıdır (daha kesin olarak hemen hemen aynıdır) ve 1/273 °C -1'e eşittir. Belirli bir gaz kütlesinin hacmi ısıtıldığında 1 °C sabit basınçta bu gaz kütlesinin hacmi 1/273 oranında artar. 0 °C (Gay-Lussac Yasası).

Görüldüğü gibi gazların hacimsel genleşmesinin sıcaklık katsayısı β sıcaklık basınç katsayılarıyla çakışır α .

Gazların termal genleşmesinin çok önemli olduğu, dolayısıyla gazın hacminin çok önemli olduğu unutulmamalıdır. V 0 °C'de 0, başka bir sıcaklıktaki, örneğin oda sıcaklığındaki hacimden gözle görülür biçimde farklıdır. Bu nedenle, gazlar söz konusu olduğunda formül (6)'daki hacmi gözle görülür bir hata olmadan değiştirmek imkansızdır. V 0 hacim V. Buna göre gazlar için genleşme formülünü aşağıdaki şekilde vermek uygundur. İlk hacim için hacmi alıyoruz V 0 °C'de 0. Bu durumda gaz sıcaklığı artışı τ sıcaklığa eşit T Celsius ölçeğinde ölçülür. Bu nedenle hacimsel genleşmenin sıcaklık katsayısı

β = (V – V 0) /V 0 T, Þ V = V 0 (1+βt). (7) Çünkü β = 1/273 °C -1, o zaman V = V 0 (1+T/273). (8)

Formül (7), şu kadar yüksek sıcaklıklarda hacmi hesaplamak için kullanılabilir:
0 °C ve 0 °C'nin altında. İkinci durumda T Negatif değerlere sahip olacaktır. Bununla birlikte, Gay-Lussac yasasının, gaz yüksek oranda sıkıştırıldığında veya sıvılaşma durumuna yaklaşacak kadar soğutulduğunda geçerli olmadığı akılda tutulmalıdır. Bu durumda formül (8) kullanılamaz.

Oran eşleşmesi α Ve β Charles yasasında ve Gay-Lussac yasasında yer alan tesadüfi değildir. Gazlar Boyle-Mariotte yasasına uyduğu için bunu görmek kolaydır. α Ve β birbirine eşit olmalıdır. Aslında, belirli bir gaz kütlesinin 0 °C sıcaklıkta bir hacmi olsun. V 0 ve basınç P 0. Sıcaklığa kadar ısıtalım T sabit bir hacimde. O zaman Charles yasasına göre basıncı şuna eşit olacaktır: P = P 0 (1+α T). Öte yandan, aynı gaz kütlesini belirli bir sıcaklığa kadar ısıtalım. T sürekli basınç altında. Daha sonra Gay-Lussac yasasına göre hacmi eşit olacaktır. V = V 0 (1+βt). Yani belirli bir gaz kütlesi belirli bir sıcaklıkta olabilir. T hacim V 0 ve basınç P = P 0 (1+ αt) veya hacim V = V 0 (1+βt) ve basınç P 0 .

Boyle-Mariotte yasasına göre V 0 P = Başkan Yardımcısı 0, yani

V 0 P 0 (1+ α T) = V 0 P 0 (1+βt), Þ α = β

Bir balonun 0 °C'deki hacmi 820 m3'tür. Güneş ışınlarının etkisiyle içindeki gaz 15 °C'ye kadar ısıtılırsa bu topun hacmi ne olur? Kabuktan sızması ve basıncındaki değişiklik nedeniyle gaz kütlesindeki değişimi ihmal edin. ( Cevap: 865 m3).

Clayperon-Mendeleev yasası: pV=RT , Nerede R– gaz sabiti 8,31 J/mol'deg. Bu yasaya ideal gaz hal denklemi denir. 1834 yılında Fransız fizikçi ve mühendis B. Clayperon tarafından elde edilmiş ve 1874 yılında D.I. tarafından genelleştirilmiştir. Mendeleev herhangi bir gaz kütlesi için (başlangıçta Clayperon bu denklemi yalnızca 1 mol ideal gaz maddesi için türetmişti).

pV=RT, Ş pV/T=R=sabit.

İki silindir var. Biri sıkıştırılmış gaz, diğeri sıvılaştırılmış gaz içerir. Her iki gazın basıncı ve sıcaklığı aynıdır. Hangi silindirin daha fazla enerji biriktirdiğini belirleyin? Peki silindirlerden hangisi daha tehlikelidir? Gazların kimyasal özelliklerini göz ardı edin. (Cevap: sıvılaştırılmış gazla).

Sorunun çözümünü bir örnekle açıklayalım.

Basınçlı kapların kontrolsüz basıncının düşürülmesi, fiziksel veya kimyasal patlama riski oluşturur. Bunu su-buhar sistemini kullanarak açıklayalım.

Açık bir kapta su, atmosferik basınçta 100°C sıcaklıkta kaynar. Örneğin buhar kazanındaki kapalı bir kapta su 100°C'de kaynar, ancak oluşan buhar suyun yüzeyine baskı yapar ve kaynama durur. Kazandaki suyun kaynamaya devam edebilmesi için buhar basıncına karşılık gelen sıcaklığa kadar ısıtılması gerekir. Örneğin, 6'10 5 Pa'lık bir basınç, +169 °C'lik bir sıcaklığa karşılık gelir,
8´10 5 Pa – +171 °C, 12´10 5 Pa – +180 °C, vb.

Suyu örneğin 189 °C'ye ısıttıktan sonra kazan fırınına ısı sağlamayı bırakırsanız ve buharı normal şekilde tüketirseniz, sıcaklık 100 °C'nin altına düşene kadar su kaynayacaktır. Üstelik kazan içindeki basınç ne kadar çabuk düşerse, suyun içerdiği fazla termal enerjiden dolayı kaynama ve buhar oluşumu o kadar yoğun olacaktır. Basınç maksimumdan atmosferik seviyeye düştüğünde bu fazla termal enerji tamamen buharlaşmaya harcanır. Bir kazanın veya kabın duvarlarının mekanik olarak yırtılması durumunda, kazandaki iç denge bozulur ve basınçta atmosfer basıncına ani bir düşüş meydana gelir.

Bu durumda, büyük miktarda buhar oluşur (1 m3 sudan - 1700 m3 buhar, normal basınçta), bu da ortaya çıkan reaktif kuvvet nedeniyle kabın tahrip olmasına ve hareketine yol açar. yıkım. Sonuç olarak, kazandaki çalışma basıncı ne olursa olsun tehlike, kazanın buhar boşluğunu dolduran buharda değil, 100 °C'nin üzerinde ısıtılan, büyük bir enerji rezervine sahip ve her an buharlaşmaya hazır olan suda yatmaktadır. basınçta keskin bir azalma ile.

1 kg kuru doymuş buharın hacmi (belirli hacim) basınca bağlıdır: basınç ne kadar yüksek olursa, 1 kg buharın hacmi o kadar az olur.

20 kgf/cm2'de 1 kg buharın kapladığı hacim, 1 kg su hacminin neredeyse 900 katıdır. Bu buhar, sıcaklığı değiştirmeden 2 kat sıkıştırılırsa; 40 kgf/cm2'ye kadar hacmi de 2 kat azalacaktır. Su sıkıştırılamaz; neredeyse sıkıştırılamaz.

Açıkçası, aynı işlemler sıvılaştırılmış gazla dolu bir silindirde de meydana gelir. Belirli bir gazın normal koşullar altında kaynama noktası ile silindirdeki belirli bir basınçtaki kaynama noktası arasındaki fark ne kadar büyük olursa, silindirin bütünlüğünün mekanik olarak hasar görmesi tehlikesi de o kadar yüksek olur.

Bu durumda tehlike, silindirdeki gaz basıncının miktarında değil, gazın sıvılaştırılması için harcanan enerjide yatmaktadır.

Talimatlar

Bu durumda molar kütle M, D.I tablosundan bulunabilir. Mendeleev. Azot için bu 12 g/mol'dür. Daha sonra:

V=0,05*12*8,31*333/30*12≈4,61.

Normal koşullardaki hacim biliniyorsa ve diğer koşullardaki hacim istenilen değerdeyse Boyle-Mariotte ve Gay-Lussac yasalarını uygulayın:

pV/T=pнVн/Tн.

Bu durumda formülü aşağıdaki gibi yeniden düzenleyin:

pV*Tn=pnVn*T.

Dolayısıyla V hacmi şuna eşittir:

V=pнVн*T/p*Tн.

İndeks n, normal koşullar altında belirli bir parametrenin değeri anlamına gelir.

Bir gazın hacmini termodinamik açıdan ele alırsak, hacmin değişmesi nedeniyle gazların üzerine kuvvetlerin etki etmesi mümkündür. Bu durumda izobarik işlemler için gaz basıncı sabittir. Bu tür işlemler sırasında hacim bir değerden diğerine değişir. V1 ve V2 olarak adlandırılabilirler. Bir takım problemlerde, bir kaptaki pistonun altında bulunan belirli bir gaz anlatılmaktadır. Bu gaz genleştiğinde piston belirli bir dl mesafesi kadar hareket eder ve iş ortaya çıkar:

Katı bir cisim ise, parçacıklar kristal kafesin düğümlerinde titreşir ve gaz ise, parçacıklar maddenin hacmi içinde birbirleriyle çarpışarak serbestçe hareket eder. Bir maddenin sıcaklığı hareket yoğunluğuyla doğru orantılıdır. Fizik açısından bakıldığında bu, sıcaklığın bir maddenin parçacıklarının kinetik enerjisiyle doğru orantılı olduğu ve bunun da parçacıkların hareket hızı ve kütlesi tarafından belirlendiği anlamına gelir.

Vücut sıcaklığı ne kadar yüksek olursa parçacıkların ortalama kinetik enerjisi de o kadar büyük olur. Bu gerçek, Boltzmann sabiti ve sıcaklığın çarpımına eşit olan ideal bir gazın kinetik enerjisi formülünde yansıtılmaktadır.

Hacmin sıcaklığa etkisi

Bir gazın iç yapısını hayal edin. Gaz ideal olarak kabul edilebilir, moleküllerin birbirleriyle çarpışmalarının mutlak esnekliği. Gazın belirli bir sıcaklığı, yani parçacıkların belirli bir kinetik enerjisi vardır. Her parçacık yalnızca başka bir parçacığa değil aynı zamanda maddenin hacmini sınırlayan kabın duvarına da çarpar.

Gazın hacmi artarsa, yani gaz genişlerse, her molekülün serbest yolunun artması nedeniyle parçacıkların kabın duvarları ve birbirleriyle çarpışma sayısı azalır. Çarpışma sayısındaki azalma, gaz basıncında bir azalmaya yol açar, ancak genel ortalama kinetik değişmez çünkü parçacık çarpışma süreci, değerini hiçbir şekilde etkilemez. Böylece ideal bir gaz genleştiğinde sıcaklık değişmez. Bu işleme izotermal yani sabit sıcaklıktaki bir işleme denir.

Gaz genleşmesi sırasında sabit sıcaklığın bu etkisinin ideal olduğu varsayımına ve ayrıca parçacıklar kabın duvarlarına çarptığında parçacıkların enerji kaybetmediği gerçeğine dayandığını lütfen unutmayın. Gaz bunu yapmazsa, genişledikçe enerji kaybına yol açan çarpışmaların sayısı azalır ve sıcaklık düşüşü daha az keskin olur. Pratikte bu durum, gaz maddesinin termostatlanmasıyla eşleşerek sıcaklığın düşmesine neden olan enerji kayıplarını azaltır.

Konuyla ilgili video

Bir gazla değil, katı veya sıvı bir cisimle uğraştığımızda, cismin moleküllerinin hızını belirlemek için elimizde bu tür doğrudan yöntemler yoktur. Ancak bu durumlarda bile sıcaklığın artmasıyla moleküllerin hareket hızının arttığına şüphe yoktur.

Hacmi değiştiğinde gazın sıcaklığındaki değişiklik. Adyabatik ve izotermal süreçler.

Bu deneyi yapalım. Şeffaf malzemeden yapılmış, bir ucu kapalı, kalın duvarlı bir tüpün içine eterle hafifçe nemlendirilmiş pamuk yünü yerleştiriyoruz ve bu, tüpün içinde ısıtıldığında patlayan bir eter buharı ve hava karışımı oluşturacaktır. Daha sonra sıkıca oturan pistonu hızlı bir şekilde borunun içine itin. Tüpün içinde küçük bir patlamanın meydana geldiğini göreceğiz. Bu, eter buharı ve hava karışımı sıkıştırıldığında karışımın sıcaklığının keskin bir şekilde arttığı anlamına gelir. Bu fenomen oldukça anlaşılır. Bir gazı dış kuvvetle sıkıştırarak iş üretiriz, bunun sonucunda gazın iç enerjisinin artması gerekir; Olan buydu; gaz ısındı.

Şimdi gazın genleşmesine izin verelim ve dış basınç kuvvetlerine karşı iş yapalım. Bu yapılabilir. Büyük şişenin oda sıcaklığında basınçlı hava içermesine izin verin. Şişeyi dışarıdaki havayla bağlayarak şişedeki havanın küçük olanı bırakarak genleşmesine fırsat vermiş olacağız. dışarı doğru delikler açın ve genişleyen hava akışına bir termometre veya tüplü bir şişe yerleştirin. Termometre, oda sıcaklığından belirgin şekilde daha düşük bir sıcaklık gösterecek ve şişeye bağlı tüpteki bir damla, şişeye doğru akacak ve bu aynı zamanda akıştaki havanın sıcaklığındaki bir azalmayı da gösterecektir. Bu, bir gazın genleştiğinde ve aynı zamanda iş yaptığında soğuduğu ve iç enerjisinin azaldığı anlamına gelir. Bir gazın sıkışma sırasında ısınması ve genleşme sırasında soğumasının enerjinin korunumu yasasının bir ifadesi olduğu açıktır.

Yani bir gazın dış bir kuvvet tarafından sıkıştırılması onun ısınmasına neden olur ve gazın genleşmesine de soğuması eşlik eder. Bu olay her zaman bir dereceye kadar meydana gelir, ancak çevredeki cisimlerle ısı alışverişi en aza indirildiğinde bunu özellikle keskin bir şekilde fark ediyorum, çünkü böyle bir değişim, sıcaklıktaki değişikliği az ya da çok telafi edebilir.

Isı transferinin ihmal edilebilecek kadar ihmal edilebilir olduğu işlemlere adyabatik denir.

Bölümün başında sorduğumuz soruya dönelim. Hacimindeki değişikliklere rağmen sabit gaz sıcaklığı nasıl sağlanır? Açıkçası, bunu yapmak için, gaz genişliyorsa sürekli olarak dışarıdan gaza ısı aktarmak ve gaz sıkıştırılmışsa onu sürekli olarak çevredeki cisimlere aktararak ısıyı sürekli olarak uzaklaştırmak gerekir. Özellikle, gazın genleşmesi veya sıkışması çok yavaşsa ve dışarıdan veya dışarıdan ısı transferi yeterli hızda gerçekleşebiliyorsa, gazın sıcaklığı oldukça sabit kalır. Yavaş genleşme ile çevredeki cisimlerden ısı gaza aktarılır ve sıcaklığı o kadar az düşer ki bu azalma ihmal edilebilir. Yavaş sıkıştırmada ise ısı gazdan çevredeki cisimlere aktarılır ve bunun sonucunda sıcaklığı yalnızca ihmal edilebilir düzeyde artar.

Sıcaklığın sabit tutulduğu işlemlere izotermal denir.

Boyle Yasası - Mariotte

Şimdi, sıcaklığı değişmeden kalırsa ve gazın yalnızca hacmi değişirse, belirli bir gaz kütlesinin basıncının nasıl değişeceği sorusunu daha ayrıntılı olarak incelemeye geçelim. Böyle bir izotermal işlemin, gazı çevreleyen cisimlerin sıcaklığının sabit olması ve gazın hacminin çok yavaş değişmesi ve işlemin herhangi bir anında gazın sıcaklığının değişmemesi koşuluyla gerçekleştirildiğini zaten öğrenmiştik. çevredeki cisimlerin sıcaklığından farklıdır.

Böylece şu soruyu soruyoruz: Bir gazın durumundaki izotermal değişim sırasında hacim ve basınç birbiriyle nasıl ilişkilidir? Günlük deneyim bize, belirli bir gaz kütlesinin hacmi azaldığında basıncının arttığını öğretir. Bir futbol topu, bisiklet veya araba lastiğini şişirirken esnekliğin artması buna bir örnektir. Şu soru ortaya çıkıyor: Gazın sıcaklığı değişmeden kalırsa, hacim azaldıkça gazın basıncı tam olarak nasıl artar?

Bu sorunun cevabı 17. yüzyılda İngiliz fizikçi ve kimyager Robert Boyle (1627-1691) ile Fransız fizikçi Eden Marriott (1620-1684) tarafından yapılan araştırmalarla verildi.

Bir gazın hacmi ve basıncı arasındaki ilişkiyi kuran deneyler tekrarlanabilir: bölmelerle donatılmış dikey bir stand üzerinde, kauçuk bir C tüpüyle birbirine bağlanan A ve B cam tüpleri vardır. Tüplerin içine cıva dökülür. B borusunun üst kısmı açıktır ve A borusunun bir musluğu vardır. Bu vanayı kapatalım ve böylece A tüpünde belirli bir hava kütlesini kilitleyelim. Tüpleri hareket ettirmediğimiz sürece her iki tüpteki cıva seviyesi aynıdır. Bu, A tüpünde sıkışan havanın basıncının çevredeki havanın basıncıyla aynı olduğu anlamına gelir.

Şimdi B tüpünü yavaşça kaldıralım. Her iki tüpteki cıvanın da yükseleceğini göreceğiz, ancak eşit şekilde değil: B tüpündeki cıva seviyesi her zaman A'dakinden daha yüksek olacaktır. B tüpünü indirirsek, o zaman cıva seviyesi olur. her iki dirsekte de azalma olur, ancak B tüpündeki azalma A'dakinden daha fazladır.

A tüpünde kilitli olan havanın hacmi, A tüpünün bölümleriyle hesaplanabilir. Bu havanın basıncı, yüksekliği cıva seviyelerindeki farka eşit olan cıva sütununun basıncı nedeniyle atmosferik basınçtan farklı olacaktır. A ve B tüplerinde. Ne zaman. Tüp yükseltildikçe cıva kolonunun basıncı atmosfer basıncına eklenir. A'daki havanın hacmi azalır. B tüpü indirildiğinde, içindeki cıva seviyesi A'dakinden daha düşüktür ve cıva sütununun basıncı atmosfer basıncından çıkarılır; A'daki havanın hacmi buna göre artar.

Hızla sıkıştırıldığında sıcaklık nasıl değişir? Hacmi değiştiğinde gazın sıcaklığındaki değişiklik

Gaz sıkıştırma işleminin termodinamik temelleri

Hacmi değiştiğinde gazın sıcaklığındaki değişiklik. Adyabatik ve izotermal süreçler

Hacmin sıcaklığa etkisi