Cada persona durante su vida se encuentra con cuerpos que se encuentran en uno de los tres estados agregados de la materia. El estado de agregación más simple de estudiar es el gas. En el artículo, consideraremos el concepto de un gas ideal, daremos la ecuación de estado del sistema y también prestaremos atención a la descripción de la temperatura absoluta.
Estado gaseoso de la materia
Cada estudiante tiene una buena idea de qué estado de la materia está hablando cuando escucha la palabra "gas". Esta palabra se entiende como un cuerpo que es capaz de ocupar cualquier volumen que se le proporcione. No es capaz de mantener su forma, porque no puede resistir ni la más mínima influencia externa. Además, el gas no retiene volumen, lo que lo distingue no solo de los sólidos, sino también de los líquidos.
Al igual que un líquido, un gas es una sustancia fluida. En el proceso de movimiento de los cuerpos sólidos en los gases, estos últimos impiden este movimiento. La fuerza resultante se llama resistencia. Su valor depende develocidad del cuerpo en el gas.
Ejemplos sólidos de gases son el aire, el gas natural que se usa para calentar hogares y cocinar, los gases inertes (Ne, Ar) que se usan para llenar los tubos luminosos publicitarios o se usan para crear un entorno inerte (protector no agresivo) al soldar.
Gas ideal
Antes de continuar con la descripción de las leyes de los gases y la ecuación de estado, debe comprender bien la cuestión de qué es un gas ideal. Este concepto se introduce en la teoría cinética molecular (MKT). Un gas ideal es cualquier gas que satisfaga las siguientes características:
- Las partículas que lo forman no interactúan entre sí excepto por colisiones mecánicas directas.
- Como resultado del choque de las partículas con las paredes del recipiente o entre sí, se conservan su energía cinética y su momento, es decir, el choque se considera absolutamente elástico.
- Las partículas no tienen dimensiones, pero tienen una masa finita, es decir, son similares a los puntos materiales.
Es natural que cualquier gas no sea ideal, sino real. Sin embargo, para resolver muchos problemas prácticos, estas aproximaciones son bastante válidas y se pueden utilizar. Existe una regla empírica general que dice: independientemente de la naturaleza química, si un gas tiene una temperatura superior a la temperatura ambiente y una presión del orden de la atmosférica o inferior, entonces se puede considerar ideal con gran precisión y se puede utilizar para describir eso.fórmula de la ecuación de estado de los gases ideales.
Ley de Clapeyron-Mendeleiev
La termodinámica maneja las transiciones entre diferentes estados agregados de la materia y procesos dentro de un solo estado agregado. La presión, la temperatura y el volumen son tres cantidades que definen de manera única cualquier estado de un sistema termodinámico. La fórmula para la ecuación de estado de un gas ideal combina estas tres cantidades en una sola igualdad. Escribamos esta fórmula:
PV=nRT
Aquí P, V, T - presión, volumen, temperatura, respectivamente. El valor de n es la cantidad de sustancia en moles, y el símbolo R denota la constante universal de los gases. Esta igualdad muestra que cuanto mayor sea el producto de la presión y el volumen, mayor debe ser el producto de la cantidad de sustancia y la temperatura.
La fórmula para la ecuación de estado de un gas se llama ley de Clapeyron-Mendeleev. En 1834, el científico francés Emile Clapeyron, resumiendo los resultados experimentales de sus predecesores, llegó a esta ecuación. Sin embargo, Clapeyron usó una serie de constantes, que Mendeleev luego reemplazó con una: la constante universal de los gases R (8, 314 J / (molK)). Por lo tanto, en la física moderna, esta ecuación lleva el nombre de científicos franceses y rusos.
Otras formas de ecuación
Arriba, escribimos la ecuación de estado de Mendeleev-Clapeyron para un gas ideal en la forma generalmente aceptada yforma conveniente. Sin embargo, en problemas de termodinámica, a menudo se puede requerir una forma ligeramente diferente. A continuación se escriben tres fórmulas más, que se derivan directamente de la ecuación escrita:
PV=NkBT;
PV=m/MRT;
P=ρRT/M.
Estas tres ecuaciones también son universales para un gas ideal, solo que en ellas aparecen cantidades tales como la masa m, la masa molar M, la densidad ρ y el número de partículas N que componen el sistema. El símbolo kB aquí denota la constante de Boltzmann (1, 3810-23J/K).
Ley de Boyle-Mariotte
Cuando Clapeyron elaboró su ecuación, se basó en las leyes de los gases que se habían descubierto experimentalmente varias décadas antes. Una de ellas es la ley de Boyle-Mariotte. Refleja un proceso isotérmico en un sistema cerrado, como resultado del cual cambian parámetros macroscópicos como la presión y el volumen. Si ponemos T y n constantes en la ecuación de estado para un gas ideal, entonces la ley de los gases tomará la forma:
P1V1=P2V 2
Esta es la ley de Boyle-Mariotte, que dice que el producto de la presión por el volumen se conserva durante un proceso isotérmico arbitrario. En este caso, los valores P y V cambian.
Si trazas P(V) o V(P), entonces las isotermas serán hipérbolas.
Leyes de Charles y Gay-Lussac
Estas leyes describen matemáticamente isobáricas e isocóricasprocesos, es decir, tales transiciones entre los estados del sistema de gas, en los que se conservan la presión y el volumen, respectivamente. La ley de Charles se puede escribir matemáticamente de la siguiente manera:
V/T=const cuando n, P=const.
La ley de Gay-Lussac se escribe de la siguiente manera:
P/T=const cuando n, V=const.
Si ambas igualdades se presentan en forma de gráfico, entonces obtendremos líneas rectas que están inclinadas en algún ángulo con respecto al eje x. Este tipo de gráfico indica una proporcionalidad directa entre el volumen y la temperatura a presión constante y entre la presión y la temperatura a volumen constante.
Tenga en cuenta que las tres leyes de los gases consideradas no tienen en cuenta la composición química del gas, así como el cambio en su cantidad de materia.
Temperatura absoluta
En la vida cotidiana, estamos acostumbrados a usar la escala de temperatura Celsius, ya que es conveniente para describir los procesos que nos rodean. Entonces, el agua hierve a 100 oC y se congela a 0 oC. En física, esta escala resulta inconveniente, por lo que se utiliza la llamada escala de temperatura absoluta, que fue introducida por Lord Kelvin a mediados del siglo XIX. De acuerdo con esta escala, la temperatura se mide en Kelvin (K).
Se cree que a una temperatura de -273, 15 oC no hay vibraciones térmicas de átomos y moléculas, su movimiento hacia adelante se detiene por completo. Esta temperatura en grados Celsius corresponde al cero absoluto en Kelvin (0 K). De esta definiciónel significado físico de la temperatura absoluta es la siguiente: es una medida de la energía cinética de las partículas que componen la materia, por ejemplo, átomos o moléculas.
Además del significado físico anterior de la temperatura absoluta, existen otros enfoques para comprender esta cantidad. Uno de ellos es la mencionada ley de los gases de Charles. Escribámoslo de la siguiente forma:
V1/T1=V2/T 2=>
V1/V2=T1/T 2.
La última igualdad dice que a cierta cantidad de sustancia en el sistema (por ejemplo, 1 mol) y cierta presión (por ejemplo, 1 Pa), el volumen del gas determina de manera única la temperatura absoluta. En otras palabras, un aumento en el volumen del gas en estas condiciones solo es posible debido a un aumento en la temperatura, y una disminución en el volumen indica una disminución en el valor de T.
Recuerde que, a diferencia de la temperatura Celsius, la temperatura absoluta no puede ser negativa.
Principio de Avogadro y mezclas de gases
Además de las leyes de los gases anteriores, la ecuación de estado de un gas ideal también conduce al principio descubierto por Amedeo Avogadro a principios del siglo XIX, que lleva su apellido. Este principio establece que el volumen de cualquier gas a presión y temperatura constantes está determinado por la cantidad de sustancia en el sistema. La fórmula correspondiente se ve así:
n/V=const cuando P, T=const.
La expresión escrita conduce a la bien conocida ley de D alton en física de gases ideales para mezclas de gases. Estela ley establece que la presión parcial de un gas en una mezcla está determinada únicamente por su fracción atómica.
Ejemplo de resolución de problemas
En un recipiente cerrado con paredes rígidas que contiene un gas ideal, como resultado del calentamiento, la presión aumentó 3 veces. Es necesario determinar la temperatura final del sistema si su valor inicial fue 25 oC.
Primero, convirtamos la temperatura de grados Celsius a Kelvin, tenemos:
T=25 + 273, 15=298, 15 K.
Dado que las paredes del recipiente son rígidas, el proceso de calentamiento puede considerarse isocórico. Para este caso aplicamos la ley de Gay-Lussac, tenemos:
P1/T1=P2/T 2=>
T2=P2/P1T 1.
Así, la temperatura final se determina a partir del producto de la relación de presiones y la temperatura inicial. Sustituyendo los datos en igualdad, obtenemos la respuesta: T2=894,45 K. Esta temperatura corresponde a 621,3 oC.
