L'état gazeux de la matière qui nous entoure est l'une des trois formes courantes de la matière. En physique, cet état fluide d'agrégation est généralement considéré dans l'approximation d'un gaz parfait. En utilisant cette approximation, nous décrivons dans l'article les isoprocessus possibles dans les gaz.
Gaz idéal et l'équation universelle pour le décrire
Un gaz parfait est un gaz dont les particules n'ont pas de dimensions et n'interagissent pas entre elles. De toute évidence, aucun gaz ne remplit exactement ces conditions, car même le plus petit atome, l'hydrogène, a une certaine taille. De plus, même entre des atomes de gaz rares neutres, il existe une faible interaction de van der Waals. Se pose alors la question: dans quels cas peut-on négliger la taille des particules de gaz et l'interaction entre elles ? La réponse à cette question sera le respect des conditions physico-chimiques suivantes:
- basse pression (environ 1 atmosphère et moins);
- températures élevées (autour de la température ambiante et au-dessus);
- inertie chimique des molécules et des atomesgaz.
Si au moins une des conditions n'est pas remplie, alors le gaz doit être considéré comme réel et décrit par une équation spéciale de van der Waals.
L'équation de Mendeleïev-Clapeyron doit être considérée avant d'étudier les isoprocessus. L'équation des gaz parfaits est son deuxième nom. Il a la notation suivante:
PV=nRT
C'est-à-dire qu'il relie trois paramètres thermodynamiques: la pression P, la température T et le volume V, ainsi que la quantité n de substance. Le symbole R désigne ici la constante des gaz, elle est égale à 8,314 J / (Kmol).
Que sont les isoprocessus dans les gaz ?
Ces processus sont compris comme des transitions entre deux états différents du gaz (initial et final), à la suite desquels certaines quantités sont conservées et d'autres changent. Il existe trois types d'isoprocédés dans les gaz:
- isotherme;
- isobare;
- isochorique.
Il est important de noter que tous ont été étudiés et décrits expérimentalement dans la période allant de la seconde moitié du XVIIe siècle aux années 30 du XIXe siècle. Sur la base de ces résultats expérimentaux, Émile Clapeyron en 1834 a dérivé une équation universelle pour les gaz. Cet article est construit dans l'autre sens - en appliquant l'équation d'état, nous obtenons des formules pour les isoprocessus dans les gaz parfaits.
Transition à température constante
C'est ce qu'on appelle un processus isotherme. De l'équation d'état d'un gaz parfait, il s'ensuit qu'à température absolue constante dans un système fermé, le produit doit rester constantvolume à la pression, c'est-à-dire:
PV=const
Cette relation a bien été observée par Robert Boyle et Edm Mariotte dans la seconde moitié du XVIIe siècle, donc l'égalité actuellement constatée porte leur nom.
Les dépendances fonctionnelles P(V) ou V(P), exprimées graphiquement, ressemblent à des hyperboles. Plus la température à laquelle est réalisée l'expérience isotherme est élevée, plus le produit PV.
Dans un processus isotherme, un gaz se dilate ou se contracte, effectuant un travail sans changer son énergie interne.
Transition à pression constante
Étudions maintenant le processus isobare, au cours duquel la pression est maintenue constante. Un exemple d'une telle transition est le chauffage du gaz sous le piston. En raison du chauffage, l'énergie cinétique des particules augmente, elles commencent à frapper le piston plus souvent et avec une plus grande force, à la suite de quoi le gaz se dilate. Dans le processus d'expansion, le gaz effectue un travail dont l'efficacité est de 40 % (pour un gaz monoatomique).
Pour cet isoprocessus, l'équation d'état d'un gaz parfait dit que la relation suivante doit être vraie:
V/T=const
C'est facile à obtenir si une pression constante est transférée du côté droit de l'équation de Clapeyron, et la température - du côté gauche. Cette égalité s'appelle la loi de Charles.
Equality indique que les fonctions V(T) et T(V) ressemblent à des lignes droites sur les graphiques. La pente de la droite V(T) par rapport à l'abscisse sera d'autant plus faible que la pression sera élevéeP.
Transition à volume constant
Le dernier isoprocessus dans les gaz, que nous considérerons dans l'article, est la transition isochore. En utilisant l'équation universelle de Clapeyron, il est facile d'obtenir l'égalité suivante pour cette transition:
P/T=const
La transition isochore est décrite par la loi de Gay-Lussac. On peut voir que graphiquement les fonctions P(T) et T(P) seront des droites. Parmi les trois processus isochores, l'isochore est le plus efficace s'il est nécessaire d'augmenter la température du système en raison de l'apport de chaleur externe. Pendant ce processus, le gaz ne fonctionne pas, c'est-à-dire que toute la chaleur sera dirigée pour augmenter l'énergie interne du système.
