A equação de estado para um gás ideal. Isoprocessos em gases

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A equação de estado para um gás ideal. Isoprocessos em gases
A equação de estado para um gás ideal. Isoprocessos em gases
Anonim

O estado gasoso da matéria ao nosso redor é uma das três formas comuns da matéria. Na física, esse estado de agregação do fluido é geralmente considerado na aproximação de um gás ideal. Usando esta aproximação, descrevemos no artigo possíveis isoprocessos em gases.

Gás ideal e a equação universal para descrevê-lo

Um gás ideal é aquele cujas partículas não têm dimensões e não interagem entre si. Obviamente, não há um único gás que satisfaça exatamente essas condições, pois mesmo o menor átomo - o hidrogênio, tem um determinado tamanho. Além disso, mesmo entre átomos neutros de gases nobres, há uma fraca interação de van der Waals. Então surge a pergunta: em que casos o tamanho das partículas de gás e a interação entre elas podem ser desprezados? A resposta a esta pergunta será a observância das seguintes condições físico-químicas:

  • baixa pressão (cerca de 1 atmosfera e abaixo);
  • altas temperaturas (em torno da temperatura ambiente e acima);
  • inércia química de moléculas e átomosgás.

Se pelo menos uma das condições não for atendida, então o gás deve ser considerado real e descrito por uma equação especial de van der Waals.

A equação de Mendeleev-Clapeyron deve ser considerada antes de estudar isoprocessos. A equação do gás ideal é o seu segundo nome. Tem a seguinte notação:

PV=nRT

Ou seja, relaciona três parâmetros termodinâmicos: pressão P, temperatura T e volume V, bem como a quantidade n da substância. O símbolo R aqui denota a constante do gás, é igual a 8,314 J / (Kmol).

O que são isoprocessos em gases?

Estes processos são entendidos como transições entre dois estados diferentes do gás (inicial e final), pelo que algumas quantidades são preservadas e outras alteradas. Existem três tipos de isoprocessos em gases:

  • isotérmica;
  • isobárica;
  • isocórica.
Emile Clapeyron
Emile Clapeyron

É importante notar que todos eles foram estudados e descritos experimentalmente no período da segunda metade do século XVII aos anos 30 do século XIX. Com base nesses resultados experimentais, Émile Clapeyron em 1834 derivou uma equação que é universal para gases. Este artigo é construído ao contrário - aplicando a equação de estado, obtemos fórmulas para isoprocessos em gases ideais.

Transição a temperatura constante

É chamado de processo isotérmico. Da equação de estado de um gás ideal, segue-se que a uma temperatura absoluta constante em um sistema fechado, o produto deve permanecer constantevolume para pressão, ou seja:

PV=const

Esta relação foi de fato observada por Robert Boyle e Edm Mariotte na segunda metade do século XVII, então a igualdade atualmente registrada leva seus nomes.

Dependências funcionais P(V) ou V(P), expressas graficamente, parecem hipérboles. Quanto maior a temperatura na qual o experimento isotérmico é realizado, maior o produto PV.

Lei de Boyle - Mariotte
Lei de Boyle - Mariotte

Em um processo isotérmico, um gás se expande ou se contrai, realizando trabalho sem alterar sua energia interna.

Transição a pressão constante

Agora vamos estudar o processo isobárico, durante o qual a pressão é mantida constante. Um exemplo de tal transição é o aquecimento do gás sob o pistão. Como resultado do aquecimento, a energia cinética das partículas aumenta, elas começam a atingir o pistão com mais frequência e com maior força, fazendo com que o gás se expanda. No processo de expansão, o gás realiza algum trabalho, cuja eficiência é de 40% (para um gás monoatômico).

Para este isoprocesso, a equação de estado para um gás ideal diz que a seguinte relação deve valer:

V/T=const

É fácil obter se a pressão constante for transferida para o lado direito da equação de Clapeyron e a temperatura - para a esquerda. Essa igualdade é chamada de lei de Charles.

Igualdade indica que as funções V(T) e T(V) se parecem com linhas retas nos gráficos. A inclinação da linha V(T) em relação à abcissa será tanto menor quanto maior for a pressãoP.

Lei de Carlos
Lei de Carlos

Transição a volume constante

O último isoprocesso em gases, que consideraremos no artigo, é a transição isocórica. Usando a equação universal de Clapeyron, é fácil obter a seguinte igualdade para esta transição:

P/T=const

Aquecimento a gás isocórico
Aquecimento a gás isocórico

A transição isocórica é descrita pela lei de Gay-Lussac. Pode-se ver que graficamente as funções P(T) e T(P) serão retas. Entre todos os três processos isocóricos, o isocórico é o mais eficiente se for necessário aumentar a temperatura do sistema devido ao fornecimento de calor externo. Durante este processo, o gás não realiza trabalho, ou seja, todo o calor será direcionado para aumentar a energia interna do sistema.

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