Kulcsszavak
ideális gáz; valódi gáz; Gáztörvény; Nyomás; Hangerő; Hőfok; izotermikus; adiabatikus; izobár
A gáztörvény
A három méret nyomás P, hőfok T és hangerő A gáz V értéke függ egymástól. Egyenletként felírva így néz ki:
Gáztörvény:
P V = n R T.
(Ez azonban igaz Gáztörvény ebben a formában szigorúan csak ideális gázok, így azok, amelyek részecskéi nem lépnek kölcsönhatásba egymással; Tehát ők sem sűrítenek. Használható azonban olyan hőmérsékleten is, amely elég magas a forráspont fölött valódi gázok alkalmazzuk.) R állandó és hívják általános gázállandó, n a szám Anyajegy (A Mol az egység mennyiségének megjelölésére szolgáló egység).
A gáztörvény tehát három mennyiséget tartalmaz (feltéve, hogy a mólok száma nem változik egy folyamat során) - P, V, T. Mindhárom kölcsönösen függő módon változik bármely folyamatban. A nyomás növekedése például a térfogat csökkenését és/vagy a hőmérséklet növekedését okozza; a hőmérséklet növekedése, a térfogat és/vagy a nyomás növekedése. Ha az egyik változó állandó marad, van néhány speciális eset, amelyet az alábbiakban ismertetünk.
1. ábra ¦ hőlégballon
A léggömb emelkedéséhez csak a napsugárzás fontos, amely biztosítja, hogy a léggömb levegője felmelegedjen a környezeti hőmérséklethez képest - télen is működik. Amíg süt a nap - és sajnos itt ez volt a probléma tavaly télen. Vagy felhős volt, vagy túl szeles, vagy mindkettő.
A léggömb „Solar Airship” néven érhető el a www.astromedia.de oldalon. Felirat vége
1. Ha állandó szinten tartja a gáz térfogatát ...
(például egy konténerbe helyezéssel) az egyenlet:
P = n R T/V vagy P ∼ T (olvassa el: P arányos T-vel).
Ezután a hőmérséklet emelkedése (vagyis a hő hozzáadása) nyomásnövekedéshez vezet. A hőmérséklet emelkedése ugyanis a gázmolekulák gyorsabb mozgását eredményezi, és nagyobb kinetikus energiával éri el a tartály falát. A molekulák ezen ütközései - vagy a tartály falára továbbított impulzus - pontosan az, amit makroszkóposan nyomásként érzékelünk. Ezzel szemben a hőmérséklet csökkenése a nyomás csökkenéséhez vezet.
Állandó térfogatú állapotváltozásokat hívunk izochor.
Izochor állapotváltozás esetén a térfogat állandó marad, ezért a gáz semmilyen térfogatú munkát nem tud végezni (ami azt jelenti - nem végezhet munkát, mert ha egy gáz működik, akkor ez térfogatú munka). Ha most hőt ad hozzá, akkor az összes leadott hő a belső energia növekedéséhez vezet, mivel munka közben nem szabadulhat fel újra energia. Az első fő záradék így válik:
Ezért működik a gyorsfőző - ha a víz elpárolog, már nem tudja növelni a térfogatát, ezért a nyomás és a hőmérséklet emelkedik, és a burgonya magasabb hőmérsékleten gyorsabban főz.
2. Ha állandóan tartja a hőmérsékletet ...
az egyenlet:
P V = állandó,
a nyomás és a térfogat szorzata tehát állandó ilyen körülmények között, mindkettő fordítottan arányos egymással. Ha a gázt kétszer akkora nyomásnak teszik ki (háromszor olyan, négyszer ...), akkor térfogata felére csökken (harmadai, negyedei ...). Ezzel szemben a térfogat megduplázása (megháromszorozása ...) a nyomás felére (harmadára ...) vezet.
Állapotváltozásokat állandó hőmérsékleten hívunk izotermikus.
Izoterm állapotváltozás esetén a hőmérséklet nem változik, és így a belső energia sem változik. Az első fő záradék:
Az összes leadott hő munkaként vagy fordítva szabadul fel.
3. Ha állandóan tartja a nyomást ...
az egyenlet érvényes:
V = n R T/P vagy V ∼ T.
A hőmérséklet növekedése most a térfogat növekedéséhez vezet. A gyorsabban mozgó részecskék több helyet foglalnak el, így a gáz kitágul. Ennek megértése érdekében a gázt mentálisan egy rugalmas tartályba tesszük, amely a gázzal együtt tágul. Ha a gáz és a tartály nem tágulna, a részecskék erősebben érnék a határt, ami nagyobb lendületátadást, azaz nagyobb nyomást eredményezne. De változatlannak kell maradnia, amelyet a mennyiség növekedésével érnek el. Mert most a részecskék nagyobb sebességgel ütköznek a tartály falai felé, de ezt ritkábban teszik (a nagyobb távolság miatt). Az ütések alacsonyabb gyakorisága szintén csökkenti a lendületátadást és ezáltal a nyomást.
A hőmérséklet csökkenésével a térfogat ennek megfelelően csökken. Állandó nyomáson bekövetkező állapotváltozásokat hívunk izobár.
Két egyszerű van Kísérletek, amelyeket a nézők mindig jól fogadnak:
Kísérleti utasítások itt:
A gyermek rock house - első kísérletek kis kutatók számára. Christoph Michel, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008. Kép vége
A következő kísérlet ugyanazon az elven alapul - lufi helyett főtt tojást szívnak az üvegbe.
A filmben itt látható a tojás becsúszása a palackba: egy tojás szívása az üvegbe (kérjük, vegye figyelembe - a fájl mérete 9,1 MB!)
Kísérleti utasítások itt:
A gyermekek sziklaháza - kísérletek. Joachim Hecker, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2005. A kép vége
Adiabatikus állapotváltozás
A palackban lévő levegő lehűlt - hőt adott a környezetnek. Ez egy másik speciális esethez vezet: a adiabatikus Államváltás. Az állapotváltozás adiabatikus, ha hőcserét nem végeznek a környezettel. A gázt (vagy más rendszert) ezért teljesen hőszigetelni kell a környezettől. Azok a folyamatok azonban, amelyek olyan gyorsan zajlanak le, hogy gyakorlatilag nem történhet hőcsere, szintén megközelítőleg adiabatikusak. Például a motor kompressziós lökete adiabatikus kompressziónak tekinthető (lásd: égésű motor).
Az ideális gáz belső energiája csak annak hőmérsékletétől függ, bár a valódi gázok ideálisnak tekinthetők a kondenzációs pont jóval magasabb hőmérsékletén is. A belső energia változásai hő vagy munka hozzáadásával vagy eltávolításával valósulhatnak meg. Ha most egy ideális gázt sűrít, akkor munkát ad hozzá, azaz növeli a belső energiáját. Ha adiabatikusan összenyomja - azaz hő hozzáadása vagy eltávolítása nélkül -, ez a munka az egyetlen változás a belső energiában. A gáz/levegő hőmérséklete növekszik (mivel a hőelvezetés kizárt).
Mivel a környezettel nem történik hőcsere, az adiabatikus folyamatok első törvénye a következő lesz:
A gáz adiabatikus tágulása a gáz lehűléséhez vezet, például amikor a hevített gáz kitágul egy hengerben és kitol egy dugattyút. A dugattyún működik, az ehhez szükséges energia a gáz belső energiájából származik, amely ennek következtében csökken. A részecskék mozgási energiája a dugattyú kinetikus energiájává alakul, így a gázrészecskék elveszítik azt, amelyet ezután hőmérséklet-csökkenésként fejeznek ki (mivel a részecskék kinetikus energiája hőmérséklet).
Amikor a nap a nap folyamán felmelegíti a talajhoz közeli légrétegeket, ezek kisebb sűrűségük miatt kitágulnak, majd emelkedni kezdenek (tehát a példa eddig a pontig az „állandó nyomás” pont alá tartozik). A felemelkedés során azonban a légcsomagok és környezetük közötti energiacsere elhanyagolható, és az egészet adiabatikus folyamatnak tekinthetjük. A tengerszint feletti magassággal csökkenő légnyomás a légcsomagok tágulását okozza. Mivel a környezettel nincs hőcsere, a térfogat növeléséhez szükséges energiának a légcsomagok belső energiájából kell származnia - lehűlnek. (A valóságban természetesen hőcsere van. Mivel az emelkedő légcsomag melegebb, mint a környezeti levegő, a hő eláramlik a légcsomagtól. Ez a hűtés azonban nem eredményezhet bővülést. A térfogatnövelés energiája csak a légcsomag belső energiájából származhat. jön.)
A levegő adiabatikus emelkedése a következő kísérlettel szimulálható, amelynek során az étolajban a légbuborékok emelkednek (azonban csak a térfogat növekedését láthatja, a növekvő légbuborékok hőmérsékletének csökkenését nem).
Az 1. ábrán látható emelkedő léggömb nem tűnik az „adiabatikus emelkedés” fejezethez tartozónak, mert a zárt levegőt a fekete műanyag burok tovább melegíti az emelkedés során.