Toda pessoa durante sua vida encontra corpos que estão em um dos três estados agregados da matéria. O estado de agregação mais simples para estudar é o gás. No artigo, consideraremos o conceito de gás ideal, daremos a equação de estado do sistema e também prestaremos atenção à descrição da temperatura absoluta.
Estado gasoso da matéria
Cada aluno tem uma boa ideia de qual estado da matéria está falando quando ouve a palavra "gás". Esta palavra é entendida como um corpo capaz de ocupar qualquer volume que lhe seja fornecido. Não é capaz de manter sua forma, porque não pode resistir nem à menor influência externa. Além disso, o gás não retém volume, o que o distingue não apenas dos sólidos, mas também dos líquidos.
Como um líquido, um gás é uma substância fluida. No processo de movimento de corpos sólidos em gases, estes impedem esse movimento. A força resultante é chamada de resistência. Seu valor dependevelocidade do corpo no gás.
Fortes exemplos de gases são o ar, o gás natural usado para aquecer residências e cozinhar, gases inertes (Ne, Ar) usados para encher tubos de incandescência publicitários ou usados para criar um ambiente inerte (não agressivo, protetor) durante a soldagem.
Gás Ideal
Antes de prosseguir com a descrição das leis dos gases e a equação de estado, você deve entender bem a questão do que é um gás ideal. Este conceito é introduzido na teoria cinética molecular (MKT). Um gás ideal é qualquer gás que satisfaça as seguintes características:
- As partículas que o formam não interagem umas com as outras, exceto por colisões mecânicas diretas.
- Como resultado da colisão das partículas com as paredes do recipiente ou entre si, sua energia cinética e momento são conservados, ou seja, a colisão é considerada absolutamente elástica.
- As partículas não têm dimensões, mas têm massa finita, ou seja, são semelhantes aos pontos materiais.
É natural que qualquer gás não seja ideal, mas real. No entanto, para resolver muitos problemas práticos, essas aproximações são bastante válidas e podem ser usadas. Existe uma regra empírica geral que diz: independentemente da natureza química, se um gás tem uma temperatura acima da temperatura ambiente e uma pressão da ordem da atmosférica ou inferior, então ele pode ser considerado ideal com alta precisão e pode ser usado para descrever isto.fórmula da equação de estado do gás ideal.
Lei Clapeyron-Mendeleev
Transições entre diferentes estados agregados da matéria e processos dentro de um único estado agregado são tratadas pela termodinâmica. Pressão, temperatura e volume são três grandezas que definem de forma única qualquer estado de um sistema termodinâmico. A fórmula para a equação de estado de um gás ideal combina todas essas três quantidades em uma única igualdade. Vamos escrever esta fórmula:
PV=nRT
Aqui P, V, T - pressão, volume, temperatura, respectivamente. O valor de n é a quantidade de substância em mols, e o símbolo R denota a constante universal dos gases. Essa igualdade mostra que quanto maior o produto da pressão pelo volume, maior deve ser o produto da quantidade de substância pela temperatura.
A fórmula para a equação de estado de um gás é chamada de lei de Clapeyron-Mendeleev. Em 1834, o cientista francês Emile Clapeyron, resumindo os resultados experimentais de seus predecessores, chegou a essa equação. No entanto, Clapeyron usou várias constantes, que Mendeleev mais tarde substituiu por uma - a constante de gás universal R (8, 314 J / (molK)). Portanto, na física moderna, essa equação recebe o nome de cientistas franceses e russos.
Outras Formas de Equação
Acima, escrevemos a equação de estado de Mendeleev-Clapeyron para um gás ideal na forma geralmente aceita eforma conveniente. No entanto, em problemas em termodinâmica, muitas vezes pode ser necessária uma forma ligeiramente diferente. Mais três fórmulas estão escritas abaixo, que seguem diretamente da equação escrita:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Essas três equações também são universais para um gás ideal, só que nelas aparecem quantidades como massa m, massa molar M, densidade ρ e o número de partículas N que compõem o sistema. O símbolo kB aqui denota a constante de Boltzmann (1, 3810-23J/K).
Lei Boyle-Mariotte
Quando Clapeyron elaborou sua equação, ele se baseava nas leis dos gases que haviam sido descobertas experimentalmente várias décadas antes. Uma delas é a lei Boyle-Mariotte. Ele reflete um processo isotérmico em um sistema fechado, como resultado do qual parâmetros macroscópicos como pressão e volume mudam. Se colocarmos T e n constantes na equação de estado para um gás ideal, então a lei dos gases terá a forma:
P1V1=P2V 2
Esta é a lei de Boyle-Mariotte, que diz que o produto da pressão e do volume é preservado durante um processo isotérmico arbitrário. Neste caso, os próprios valores P e V mudam.
Se você plotar P(V) ou V(P), então as isotermas serão hipérboles.
Leis de Charles e Gay-Lussac
Estas leis descrevem matematicamente isobárica e isocóricaprocessos, ou seja, tais transições entre os estados do sistema de gás, nos quais a pressão e o volume são preservados, respectivamente. A lei de Charles pode ser escrita matematicamente da seguinte forma:
V/T=const quando n, P=const.
A lei de Gay-Lussac é escrita da seguinte forma:
P/T=const quando n, V=const.
Se ambas as igualdades forem apresentadas na forma de um gráfico, obteremos linhas retas inclinadas em algum ângulo em relação ao eixo x. Este tipo de gráfico indica uma proporcionalidade direta entre volume e temperatura a pressão constante e entre pressão e temperatura a volume constante.
Observe que todas as três leis dos gases consideradas não levam em consideração a composição química do gás, bem como a mudança em sua quantidade de matéria.
Temperatura absoluta
Na vida cotidiana, estamos acostumados a usar a escala de temperatura Celsius, pois é conveniente para descrever os processos ao nosso redor. Então, a água ferve a 100 oC e congela a 0 oC. Na física, essa escala acaba sendo inconveniente, portanto, é usada a chamada escala de temperatura absoluta, introduzida por Lord Kelvin em meados do século XIX. De acordo com esta escala, a temperatura é medida em Kelvin (K).
Acredita-se que a uma temperatura de -273, 15 oC não há vibrações térmicas de átomos e moléculas, seu movimento para frente pára completamente. Esta temperatura em graus Celsius corresponde ao zero absoluto em Kelvin (0 K). A partir desta definiçãoo significado físico da temperatura absoluta segue: é uma medida da energia cinética das partículas que compõem a matéria, por exemplo, átomos ou moléculas.
Além do significado físico acima da temperatura absoluta, existem outras abordagens para entender essa quantidade. Uma delas é a mencionada lei dos gases de Charles. Vamos escrever da seguinte forma:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
A última igualdade diz que em uma certa quantidade de substância no sistema (por exemplo, 1 mol) e uma certa pressão (por exemplo, 1 Pa), o volume do gás determina exclusivamente a temperatura absoluta. Em outras palavras, um aumento no volume de gás nessas condições só é possível devido a um aumento na temperatura, e uma diminuição no volume indica uma diminuição no valor de T.
Lembre-se que, diferentemente da temperatura Celsius, a temperatura absoluta não pode ser negativa.
Princípio de Avogadro e misturas gasosas
Além das leis dos gases acima, a equação de estado para um gás ideal também leva ao princípio descoberto por Amedeo Avogadro no início do século XIX, que leva seu sobrenome. Este princípio estabelece que o volume de qualquer gás a pressão e temperatura constantes é determinado pela quantidade de substância no sistema. A fórmula correspondente fica assim:
n/V=const quando P, T=const.
A expressão escrita leva à conhecida lei de D alton da física dos gases ideais para misturas de gases. Essea lei afirma que a pressão parcial de um gás em uma mistura é determinada exclusivamente por sua fração atômica.
Exemplo de resolução de problemas
Em um recipiente fechado com paredes rígidas contendo um gás ideal, como resultado do aquecimento, a pressão aumentou 3 vezes. É necessário determinar a temperatura final do sistema se seu valor inicial foi 25 oC.
Primeiro, vamos converter a temperatura de graus Celsius para Kelvin, temos:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Como as paredes do recipiente são rígidas, o processo de aquecimento pode ser considerado isocórico. Para este caso, aplicamos a lei de Gay-Lussac, temos:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Assim, a temperatura final é determinada a partir do produto da razão de pressão pela temperatura inicial. Substituindo os dados em igualdade, obtemos a resposta: T2=894,45 K. Esta temperatura corresponde a 621,3 oC.
