Au cours de sa vie, chaque personne rencontre des corps qui se trouvent dans l'un des trois états agrégés de la matière. L'état d'agrégation le plus simple à étudier est le gaz. Dans l'article, nous considérerons le concept de gaz parfait, donnerons l'équation d'état du système et prêterons également une attention particulière à la description de la température absolue.
État gazeux de la matière
Chaque élève a une bonne idée de l'état de la matière dont il parle lorsqu'il entend le mot "gaz". Ce mot est compris comme un corps capable d'occuper n'importe quel volume qui lui est fourni. Il n'est pas capable de garder sa forme, car il ne peut pas résister à la moindre influence extérieure. De plus, le gaz ne conserve pas de volume, ce qui le distingue non seulement des solides, mais aussi des liquides.
Comme un liquide, un gaz est une substance fluide. Dans le processus de mouvement des corps solides dans les gaz, ces derniers entravent ce mouvement. La force résultante est appelée résistance. Sa valeur dépend devitesse du corps dans le gaz.
De bons exemples de gaz sont l'air, le gaz naturel utilisé pour le chauffage des maisons et la cuisine, les gaz inertes (Ne, Ar) utilisés pour remplir les tubes incandescents publicitaires ou utilisés pour créer un environnement inerte (non agressif, protecteur) lors du soudage.
Gaz idéal
Avant de passer à la description des lois des gaz et de l'équation d'état, vous devez bien comprendre la question de savoir ce qu'est un gaz parfait. Ce concept est introduit dans la théorie de la cinétique moléculaire (MKT). Un gaz parfait est un gaz qui satisfait les caractéristiques suivantes:
- Les particules qui le composent n'interagissent pas entre elles sauf pour des collisions mécaniques directes.
- À la suite de la collision de particules avec les parois du vaisseau ou entre elles, leur énergie cinétique et leur quantité de mouvement sont conservées, c'est-à-dire que la collision est considérée comme absolument élastique.
- Les particules n'ont pas de dimensions, mais ont une masse finie, c'est-à-dire qu'elles sont semblables à des points matériels.
Il est naturel que tout gaz ne soit pas idéal, mais réel. Néanmoins, pour résoudre de nombreux problèmes pratiques, ces approximations sont tout à fait valables et peuvent être utilisées. Il existe une règle empirique générale qui dit: quelle que soit la nature chimique, si un gaz a une température supérieure à la température ambiante et une pression de l'ordre de la pression atmosphérique ou inférieure, alors il peut être considéré comme idéal avec une grande précision et peut être utilisé pour décrire ce.formule de l'équation d'état des gaz parfaits.
Loi Clapeyron-Mendeleïev
Les transitions entre différents états agrégés de la matière et les processus au sein d'un même état agrégé sont gérés par la thermodynamique. La pression, la température et le volume sont trois grandeurs qui définissent de manière unique tout état d'un système thermodynamique. La formule de l'équation d'état d'un gaz parfait combine ces trois quantités en une seule égalité. Écrivons cette formule:
PV=nRT
Ici P, V, T - pression, volume, température, respectivement. La valeur de n est la quantité de substance en moles et le symbole R désigne la constante universelle des gaz. Cette égalité montre que plus le produit de la pression et du volume est grand, plus le produit de la quantité de substance et de la température doit être grand.
La formule de l'équation d'état d'un gaz s'appelle la loi de Clapeyron-Mendeleïev. En 1834, le scientifique français Emile Clapeyron, résumant les résultats expérimentaux de ses prédécesseurs, en vint à cette équation. Cependant, Clapeyron a utilisé un certain nombre de constantes, que Mendeleev a ensuite remplacées par une seule - la constante de gaz universelle R (8, 314 J / (molK)). Par conséquent, en physique moderne, cette équation porte le nom de scientifiques français et russes.
Autres formes d'équation
Ci-dessus, nous avons écrit l'équation d'état de Mendeleev-Clapeyron pour un gaz parfait dans la forme généralement acceptée etforme pratique. Cependant, dans les problèmes de thermodynamique, une forme légèrement différente peut souvent être requise. Trois autres formules sont écrites ci-dessous, qui découlent directement de l'équation écrite:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Ces trois équations sont également universelles pour un gaz parfait, seulement en elles apparaissent des quantités telles que la masse m, la masse molaire M, la densité ρ et le nombre de particules N qui composent le système. Le symbole kB désigne ici la constante de Boltzmann (1, 3810-23J/K).
Loi Boyle-Mariotte
Quand Clapeyron a établi son équation, il s'est basé sur des lois des gaz qui avaient été découvertes expérimentalement plusieurs décennies plus tôt. L'une d'elles est la loi Boyle-Mariotte. Il reflète un processus isotherme dans un système fermé, à la suite duquel des paramètres macroscopiques tels que la pression et le volume changent. Si on met T et n constants dans l'équation d'état d'un gaz parfait, alors la loi des gaz prendra alors la forme:
P1V1=P2V 2
C'est la loi de Boyle-Mariotte, qui dit que le produit de la pression et du volume est conservé pendant un processus isotherme arbitraire. Dans ce cas, les valeurs P et V elles-mêmes changent.
Si vous tracez P(V) ou V(P), alors les isothermes seront des hyperboles.
Loi de Charles et Gay-Lussac
Ces lois décrivent mathématiquement isobare et isochoreprocessus, c'est-à-dire de telles transitions entre les états du système gazeux, dans lesquels la pression et le volume sont respectivement préservés. La loi de Charles peut s'écrire mathématiquement comme suit:
V/T=const quand n, P=const.
La loi de Gay-Lussac s'écrit comme suit:
P/T=const quand n, V=const.
Si les deux égalités sont présentées sous la forme d'un graphique, nous obtiendrons des lignes droites inclinées d'un certain angle par rapport à l'axe des x. Ce type de graphique indique une proportionnalité directe entre le volume et la température à pression constante et entre la pression et la température à volume constant.
Notez que les trois lois des gaz considérées ne tiennent pas compte de la composition chimique du gaz, ni de la variation de sa quantité de matière.
Température absolue
Dans la vie de tous les jours, nous sommes habitués à utiliser l'échelle de température Celsius, car elle est pratique pour décrire les processus qui nous entourent. Ainsi, l'eau bout à 100 oC et gèle à 0 oC. En physique, cette échelle s'avère peu pratique, c'est pourquoi on utilise l'échelle dite de température absolue, qui a été introduite par Lord Kelvin au milieu du 19e siècle. Conformément à cette échelle, la température est mesurée en Kelvin (K).
On pense qu'à une température de -273, 15 oC il n'y a pas de vibrations thermiques des atomes et des molécules, leur mouvement vers l'avant s'arrête complètement. Cette température en degrés Celsius correspond au zéro absolu en Kelvin (0 K). De cette définitionla signification physique de la température absolue suit: c'est une mesure de l'énergie cinétique des particules qui composent la matière, par exemple, des atomes ou des molécules.
Outre la signification physique ci-dessus de la température absolue, il existe d'autres approches pour comprendre cette quantité. L'un d'eux est la loi des gaz mentionnée de Charles. Écrivons-le sous la forme suivante:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
La dernière égalité dit qu'à une certaine quantité de substance dans le système (par exemple, 1 mol) et une certaine pression (par exemple, 1 Pa), le volume de gaz détermine de manière unique la température absolue. En d'autres termes, une augmentation du volume de gaz dans ces conditions n'est possible qu'en raison d'une augmentation de la température, et une diminution du volume indique une diminution de la valeur de T.
Rappelez-vous que, contrairement à la température Celsius, la température absolue ne peut pas être négative.
Principe Avogadro et mélanges gazeux
En plus des lois des gaz ci-dessus, l'équation d'état d'un gaz parfait conduit également au principe découvert par Amedeo Avogadro au début du 19ème siècle, qui porte son nom de famille. Ce principe établit que le volume de tout gaz à pression et température constantes est déterminé par la quantité de substance dans le système. La formule correspondante ressemble à ceci:
n/V=const quand P, T=const.
L'expression écrite conduit à la loi de D alton bien connue en physique des gaz parfaits pour les mélanges gazeux. Cettela loi stipule que la pression partielle d'un gaz dans un mélange est uniquement déterminée par sa fraction atomique.
Exemple de résolution de problème
Dans un récipient fermé à parois rigides contenant un gaz parfait, à la suite d'un chauffage, la pression a augmenté de 3 fois. Il est nécessaire de déterminer la température finale du système si sa valeur initiale était de 25 oC.
Premièrement, convertissons la température de degrés Celsius en Kelvin, nous avons:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Étant donné que les parois de la cuve sont rigides, le processus de chauffage peut être considéré comme isochore. Pour ce cas, on applique la loi Gay-Lussac, on a:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Ainsi, la température finale est déterminée à partir du produit du rapport de pression et de la température initiale. En substituant les données par égalité, on obtient la réponse: T2=894,45 K. Cette température correspond à 621,3 oC.
