Termodynamika · Przemiany gazu doskonałego

Przemiany i cykle gazu doskonałego — poziom rozszerzony

Model gazu doskonałego

Gaz doskonały to przybliżony model gazu, w którym cząsteczki traktuje się jak małe punkty poruszające się chaotycznie, a ich wzajemne oddziaływania pomija się poza zderzeniami. Gaz opisujemy przez ciśnienie bezwzględne pp, objętość VV, temperaturę bezwzględną TT i ilość substancji nn. Dla stałej ilości gazu równanie stanu ma postać pV=nRTpV=nRT, więc pV/T=constpV/T=\mathrm{const}. Temperaturę w tych zależnościach podawaj w kelwinach. Model dobrze opisuje wiele gazów przy niezbyt dużym ciśnieniu i temperaturze znacznie wyższej od temperatury skraplania.

Przemiany podstawowe i cykle

Przemianę rozpoznajemy po wielkości, która pozostaje stała. Dla tej samej porcji gazu obowiązują zależności: - **Izotermiczna:** temperatura TT jest stała, więc pV=constpV=\mathrm{const}. Na wykresie p(V)p(V) jest to hiperbola. - **Izobaryczna:** ciśnienie pp jest stałe, więc V/T=constV/T=\mathrm{const}. Na wykresie p(V)p(V) jest to poziomy odcinek. - **Izochoryczna:** objętość VV jest stała, więc p/T=constp/T=\mathrm{const}. Na wykresie p(V)p(V) jest to pionowy odcinek. - **Adiabatyczna:** gaz nie wymienia ciepła z otoczeniem, czyli Q=0Q=0. Dla odwracalnej przemiany gazu doskonałego pVγ=constpV^\gamma=\mathrm{const}, gdzie γ=Cp/CV\gamma=C_p/C_V. Na wykresie p(V)p(V) adiabata jest bardziej stroma niż izoterma. Symbol const\mathrm{const} oznacza wartość stałą w danej przemianie; CpC_p i CVC_V to ciepła molowe przy stałym ciśnieniu i objętości.

Przemiany podstawowe i cykle

Na wykresie p(V)p(V) zmiana objętości odpowiada ruchowi wzdłuż osi poziomej, a zmiana ciśnienia — osi pionowej. Dlatego izobara jest pozioma, izochora pionowa, a izoterma i adiabata są krzywymi. Cykl to kilka przemian, po których gaz wraca do stanu początkowego. Wtedy parametry stanu i energia wewnętrzna mają na końcu te same wartości co na początku, więc ΔUcyklu=0\Delta U_{\mathrm{cyklu}}=0. Ciepło i praca w cyklu mogą być niezerowe; ich bilans zależy od kierunku obiegu.

Warunki stosowania zależności

Zależność pV/T=constpV/T=\mathrm{const} można stosować między stanami tej samej zamkniętej porcji gazu. Jeśli gaz dopływa lub uchodzi, ilość gazu się zmienia i trzeba wrócić do równania pV=nRTpV=nRT. W równaniach gazowych używaj temperatury w kelwinach i ciśnienia bezwzględnego. Nadciśnienie z manometru nie jest ciśnieniem całkowitym. Adiabatyczna przemiana nie oznacza stałej temperatury: podczas sprężania gaz zwykle się ogrzewa, a podczas rozprężania ochładza.

Dodatkowe zależności o gazie

W sztywnym, szczelnym naczyniu objętość VV i ilość gazu nn są stałe. Z równania stanu wynika wtedy: pT=const.\frac{p}{T}=\mathrm{const}. Ciśnienie bezwzględne jest więc proporcjonalne do temperatury bezwzględnej. Jeśli temperatura w kelwinach rośnie dwukrotnie, ciśnienie bezwzględne także rośnie dwukrotnie.

Dodatkowe zależności o gazie

Dla stałej ilości gazu iloraz pV/TpV/T ma tę samą wartość w każdym stanie. Jeśli gaz uchodzi ze zbiornika albo jest dopompowywany, ilość moli nn się zmienia, więc sam iloraz pV/TpV/T także może się zmieniać. W układzie otwartym trzeba stosować równanie stanu z jawnie uwzględnionym nn: pV=nRTpV=nRT.