Ключові слова
ідеальний газ; справжній газ; Газовий закон; Тиск; Обсяг; Температура; ізотермічний; адіабатичний; ізобарний
Газовий закон
Три розміри тиску P, температури Т і гучність V газу залежать один від одного. Записаний як рівняння, це виглядає так:
Закон про газ:
P V = n R T.
(Однак це правда Газовий закон у цій формі строго кажучи лише для ідеальні гази, таким чином ті, чиї частинки не взаємодіють між собою; Тож вони також не конденсуються. Однак його також можна використовувати для температур, досить високих за температуру кипіння реальні гази застосовувати.) R є константою і називається загальна газова постійна, n - число Крот (Моль - одиниця виміру, яка вказує кількість речовини).
Таким чином, газовий закон містить три величини (за умови, що кількість молей не змінюється під час процесу) - P, V, T. Усі три будуть змінюватися взаємозалежно в будь-якому процесі. Збільшення тиску спричиняє, наприклад, зменшення об’єму та/або підвищення температури; підвищення температури збільшення обсягу та/або тиску. Якщо одну зі змінних підтримують постійною, є деякі особливі випадки, які пояснюються нижче.
Рис. 1 ¦ повітряна куля
Для того, щоб повітряна куля піднялася, важлива лише сонячна радіація, яка забезпечує нагрівання повітря в повітряній кулі відносно температури навколишнього середовища - вона також працює взимку. Поки світить сонце - і на жаль, це була проблема тут минулої зими. Або було хмарно, або занадто вітряно, або обидва.
Повітряна куля доступна під назвою "Сонячний дирижабль" на сайті www.astromedia.de. Кінець заголовка
1. Якщо ви підтримуєте постійний об'єм газу ...
(наприклад, помістивши його в контейнер) рівняння стає:
P = n R T/V або P ∼ T (читається як: P пропорційний T).
Тоді підвищення температури (тобто додавання тепла) призводить до збільшення тиску. Це пов’язано з тим, що підвищення температури змушує молекули газу рухатися швидше і призводить до удару про стінки контейнера з більшою кінетичною енергією. Ці зіткнення молекул - або імпульс, що передається на стінку контейнера - це саме те, що макроскопічно сприймається як тиск. І навпаки, зниження температури призводить до зниження тиску.
Викликаються зміни стану при постійному обсязі ізохор.
При ізохорній зміні стану об’єм залишається постійним, тому газ не може виконувати жодної об’ємної роботи (що означає - він не може виконувати жодної роботи, оскільки якщо газ працює, це об’ємна робота). Якщо ви подаєте його тепло, все тепло, що подається, призведе до збільшення внутрішньої енергії, оскільки жодна енергія не може виділятися знову як робота. Таким чином, 1-й основний пункт стає:
Ось чому працює скороварка - як тільки вода випарується, вона не може збільшити свій об’єм, саме тому тиск і температура піднімаються і картопля швидше готується при більш високій температурі.
2. Якщо ви підтримуєте постійну температуру ...
рівняння стає:
P V = постійна,
твір тиску і обсягу, отже, постійний за цих умов, обидва обернено пропорційні один одному. Якщо на газ чинити тиск, який вдвічі більший (втричі більший, чотири рази ...), його об’єм зменшується вдвічі (третини, чверті ...). І навпаки, подвоєння (потроєння ...) обсягу призводить до зменшення наполовину (третини ...) тиску.
Викликаються зміни стану при постійній температурі ізотермічний.
У разі ізотермічної зміни стану температура не змінюється, а отже, не змінюється і внутрішня енергія. 1-й головний пункт стає:
Все тепло, що подається, виділяється як робота або навпаки.
3. Якщо ти підтримуєш постійний тиск ...
застосовується рівняння:
V = n R T/P або V ∼ T.
Підвищення температури в даний час призводить до збільшення обсягу. Частинки, що швидше рухаються, займають більше місця, тому газ розширюється. Щоб зрозуміти це, ми подумки поміщаємо газ у гнучку ємність, яка розширюється разом із газом. Якби газ і ємність не розширювались, частинки б досягли межі сильніше, що призведе до більшої передачі імпульсу, тобто більшого тиску. Але він повинен залишатися незмінним, що досягається збільшенням обсягу. Оскільки зараз частинки б’ються об стінки контейнера з більшою швидкістю, але роблять це рідше (через більшу відстань). Менша частота ударів також зменшує передачу імпульсу і, отже, тиск знову.
Зі зниженням температури обсяг відповідно зменшується. Викликаються зміни стану при постійному тиску ізобарний.
Є два простих Експерименти, які завжди добре сприймаються глядачами:
Інструкції щодо експериментів тут:
Будинок для дітей на скелях - перші експерименти для маленьких дослідників. Крістоф Мішель, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Мангейм, 2008. Кінець зображення
Наступний експеримент заснований на тому ж принципі - замість повітряної кулі в пляшку всмоктується варене яйце.
У фільмі тут ви можете побачити, як яйце ковзає в пляшку: смокче яйце в пляшку (будь ласка, зверніть увагу - файл має 9,1 МБ!)
Інструкції щодо експериментів тут:
Дитячий рок-хаус - експерименти. Йоахім Хекер, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Мангейм, 2005. Кінець зображення
Адіабатична зміна стану
Повітря в пляшці охололо - воно віддавало тепло навколишньому середовищу. Це веде нас до іншого особливого випадку: адіабатичний Зміна стану. Зміна стану є адіабатичною, коли тепло не обмінюється з навколишнім середовищем. Отже, газ (або інша система) повинен бути повністю теплоізольований від навколишнього середовища. Однак процеси, які відбуваються настільки швидко, що практично не може відбуватися теплообмін, також приблизно адіабатичні. Наприклад, удар компресії в двигуні можна розглядати як адіабатичне стиснення (див. Двигун внутрішнього згоряння).
Внутрішня енергія ідеального газу залежить лише від його температури, хоча реальні гази також можна розглядати як ідеальні при температурах, що знаходяться набагато вище точки конденсації. Зміни у внутрішній енергії можуть бути викликані додаванням або відведенням тепла або роботою. Якщо ви тепер стискаєте ідеальний газ, ви додаєте йому роботи, тобто збільшуєте його внутрішню енергію. Якщо стискати його адіабатично - тобто без додавання або відведення тепла - ця робота є єдиною зміною внутрішньої енергії. Температура газу/повітря підвищується (оскільки тепловіддача виключається).
Оскільки тепло не обмінюється з навколишнім середовищем, 1-й закон адіабатичних процесів стає:
Адіабатичне розширення газу призводить до охолодження газу, наприклад, коли нагрітий газ розширюється в балоні і виштовхує поршень. Він працює на поршні, енергія для цього походить від внутрішньої енергії газу, яка відповідно зменшується. Кінетична енергія частинок перетворюється на кінетичну енергію поршня, через що частинки газу її втрачають, що потім виражається зниженням температури (оскільки кінетична енергія частинок є температурою).
Коли сонце нагріває повітряні шари близько до землі протягом ранку, вони розширюються, а потім починають підніматися через нижчу щільність (тому до цього моменту приклад фактично належить під точкою «постійний тиск»). Однак під час підйому можна нехтувати обміном енергії між повітряними посилками та їх оточенням, а все це розглядати як адіабатичний процес. Тиск повітря, який зменшується з висотою, змушує повітряні посилки розширюватися. Оскільки теплообмін з навколишнім середовищем відсутній, енергія, необхідна для збільшення обсягу, повинна надходити від внутрішньої енергії повітряних посилок - вони охолоджуються. (Насправді, звичайно, відбувається обмін теплом. Оскільки посилка повітря, що піднімається, тепліша за повітря навколишнього, тепло відходить від повітряної посилки. Однак це охолодження не може призвести до розширення. Отже, енергія для збільшення об’єму може походити лише від внутрішньої енергії повітряної посилки приходь.)
Адіабатичний підйом повітря можна змоделювати за допомогою наступного експерименту, в якому бульбашки повітря піднімаються в рослинній олії (однак ви можете спостерігати лише збільшення обсягу, а не зниження температури в піднімаються бульбашках повітря).
Висхідна куля на малюнку 1, здається, не належить до розділу „адіабатичне сходження”, оскільки повітря, що закривається, додатково нагрівається чорною пластиковою оболонкою під час підйому.