Kľúčové slová
ideálny plyn; skutočný plyn; Zákon o plyne; Tlak; Objem; Teplota; izotermický; adiabatický; izobarický
Zákon o plyne
Tri veľkosti tlak P, teplota T a objem V plynu závisí od seba. Zapísaná ako rovnica vyzerá takto:
Zákon o plyne:
P V = n R T.
(Je to však pravda Zákon o plyne v tejto podobe striktne povedané iba pre ideálne plyny, teda tie, ktorých častice navzájom neinteragujú; Takže ani oni nekondenzujú. Môže sa však použiť aj pri teplotách dostatočne vysokých nad bodom varu skutočné plyny platí.) R je konštanta a je volaná všeobecná plynová konštanta, n je číslo Krtko (Mol je jednotka používaná na označenie množstva látky).
Zákon o plyne teda obsahuje tri množstvá (za predpokladu, že sa počet mólov počas procesu nezmení) - P, V, T. Všetky tri sa budú meniť v každom procese vzájomne závislým spôsobom. Zvýšenie tlaku spôsobuje napríklad zmenšenie objemu a/alebo zvýšenie teploty; zvýšenie teploty zvýšenie objemu a/alebo tlaku. Ak je jedna z premenných udržiavaná konštantná, nižšie sú vysvetlené niektoré špeciálne prípady.
Obr. 1 ¦ teplovzdušný balón
Na to, aby sa balón mohol zdvihnúť, je dôležité iba slnečné žiarenie, ktoré zaisťuje, že sa vzduch v balóne zahrieva v porovnaní s teplotou okolia - funguje to aj v zime. Pokiaľ svieti slnko - a bohužiaľ to tu bol problém minulú zimu. Buď bolo zamračené, alebo príliš veterno, alebo oboje.
Balón je dostupný pod menom „Solárna vzducholoď“ na www.astromedia.de. Koniec titulkov
1. Ak udržujete konštantný objem plynu ...
(napríklad vložením do nádoby) sa rovnica stáva:
P = n R T/V alebo P ∼ T (čítaj ako: P je úmerné T).
Potom zvýšenie teploty (t. J. Prídavok tepla) vedie k zvýšeniu tlaku. Je to tak preto, lebo zvýšenie teploty vedie k rýchlejšiemu pohybu molekúl plynu a k tomu, že narážajú na steny nádoby s vyššou kinetickou energiou. Tieto zrážky molekúl - alebo impulz prenášaný na stenu nádoby - sú presne tým, čo sa makroskopicky vníma ako tlak. Naopak, pokles teploty vedie k zníženiu tlaku.
Vyvolávajú sa zmeny stavu pri konštantnej hlasitosti izochor.
Pri izochorickej zmene stavu zostáva objem konštantný, takže plyn nemôže vykonávať žiadnu objemovú prácu (čo znamená - nemôže robiť žiadnu prácu, pretože ak plyn funguje, jedná sa o objemovú prácu). Ak k tomu teraz pridáte teplo, všetko dodané teplo povedie k zvýšeniu vnútornej energie, pretože sa už nemôže uvoľniť žiadna energia ako práca. Prvá hlavná veta sa tak stáva:
Preto funguje tlakový hrniec - keď sa voda odparí, už nemôže zväčšovať svoj objem, preto potom stúpa tlak a teplota a zemiaky sa pri vyššej teplote rýchlejšie varia.
2. Ak udržujete konštantnú teplotu ...
rovnica sa stáva:
P V = konštantná,
súčin tlaku a objemu je preto za týchto podmienok konštantný, obidva sú navzájom nepriamo úmerné. Ak je plyn vystavený tlaku, ktorý je dvakrát vyšší (trikrát vyšší, štyrikrát ...), jeho objem sa zníži na polovicu (tretiny, štvrtiny ...). Naopak zdvojnásobenie (strojnásobenie ...) objemu vedie k zníženiu tlaku na polovicu (tretie ...).
Zmeny skupenstva pri konštantnej teplote sa nazývajú izotermický.
V prípade izotermickej zmeny stavu sa nemení teplota a tým pádom sa nemení ani vnútorná energia. 1. hlavná veta sa stáva:
Všetko dodané teplo sa uvoľňuje ako práca alebo naopak.
3. Ak udržujete konštantný tlak ...
platí rovnica:
V = n R T/P alebo V ∼ T.
Zvýšenie teploty teraz vedie k zvýšeniu objemu. Rýchlejšie sa pohybujúce častice zaberajú viac miesta, takže plyn expanduje. Aby sme to pochopili, vložili sme psychicky plyn do pružnej nádoby, ktorá sa s plynom rozpína. Ak by plyn a nádoba neexpandovali, častice by zasiahli hranicu prudšie, čo by malo za následok väčší prenos hybnosti, teda väčší tlak. Malo by to však zostať nezmenené, čo sa dosiahne zvýšením objemu. Pretože teraz častice narážajú na steny nádoby s väčšou rýchlosťou, ale robia to menej často (kvôli väčšej vzdialenosti). Nižšia frekvencia nárazov tiež znižuje prenos hybnosti a tým opäť tlak.
S poklesom teploty sa objem primerane zníži. Zmeny stavu pri konštantnom tlaku sa nazývajú izobarický.
Existujú dva jednoduché Pokusy, ktoré sú divákmi vždy dobre prijaté:
Pokyny na experiment:
Detský skalný dom - prvé experimenty pre malých výskumníkov. Christoph Michel, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2008. Koniec titulku
Na rovnakom princípe je založený aj nasledujúci experiment - namiesto balónika sa do fľaše nasaje varené vajíčko.
Vo filme môžete vidieť vajce zasunuté do fľaše tu: nasatie vajíčka do fľaše (upozorňujeme - súbor má 9,1 MB!)
Pokyny na experiment:
Detský skalný dom - experimenty. Joachim Hecker, Bibliographisches Institut & F. A. Brockhaus AG, Mannheim, 2005. Koniec obrázka
Adiabatická zmena stavu
Vzduch vo fľaši sa ochladil - vydal teplo do okolia. To nás vedie k ďalšiemu špeciálnemu prípadu: adiabatický Zmena stavu. Zmena stavu je adiabatická, keď sa nevymieňa teplo s okolitým prostredím. Plyn (alebo iný systém) musí byť preto úplne tepelne izolovaný od okolitého prostredia. Avšak procesy, ktoré prebiehajú tak rýchlo, že nemôže dôjsť prakticky k nijakej výmene tepla, sú tiež približne adiabatické. Napríklad kompresný zdvih v motore možno považovať za adiabatickú kompresiu (pozri spaľovací motor).
Vnútorná energia ideálneho plynu závisí iba od jeho teploty, hoci skutočné plyny možno považovať za ideálne aj pri teplotách ďaleko nad bodom kondenzácie. Zmeny vnútornej energie je možné dosiahnuť pridaním alebo odstránením tepla alebo práce. Ak teraz stlačíte ideálny plyn, pridáte mu prácu, takže zvýšite jeho vnútornú energiu. Ak ho komprimujete adiabaticky - teda bez pridania alebo odstránenia tepla - je táto práca jedinou zmenou vnútornej energie. Teplota plynu/vzduchu sa zvyšuje (pretože je vylúčený odvod tepla).
Pretože nedochádza k výmene tepla s prostredím, stáva sa 1. zákon adiabatických procesov:
Adiabatická expanzia plynu vedie k ochladeniu plynu, napríklad keď sa ohriaty plyn rozpína vo valci a vytláča piest. Funguje to na pieste, jeho energia pochádza z vnútornej energie plynu, ktorá sa následne znižuje. Kinetická energia častíc sa prevádza na kinetickú energiu piestu, takže plynné častice ju strácajú, čo sa potom vyjadruje ako pokles teploty (pretože kinetickou energiou častíc je teplota).
Keď slnko v priebehu rána ohrieva vzduchové vrstvy blízko zeme, tieto sa rozširujú a potom kvôli svojej nižšej hustote začínajú stúpať (takže až do tohto bodu príklad skutočne patrí pod bod „konštantný tlak“). Počas výstupu však možno zanedbávať výmenu energie medzi vzdušnými pozemkami a ich okolím a na celú vec sa pozerať ako na adiabatický proces. Tlak vzduchu, ktorý klesá s nadmorskou výškou, spôsobuje rozširovanie vzdušných parciel. Pretože nedochádza k výmene tepla s okolitým prostredím, musí energia potrebná na zväčšenie objemu pochádzať z vnútornej energie vzdušných pozemkov - ochladzujú sa. (V skutočnosti samozrejme dochádza k výmene tepla. Pretože stúpajúca vzduchová komora je teplejšia ako okolitý vzduch, teplo zo vzdušnej pary prúdi. Toto ochladenie však nemôže viesť k expanzii. Energia na expanziu objemu môže preto pochádzať iba z vnútornej energie vzdušnej parcely. prísť.)
Adiabatický výstup vzduchu je možné simulovať pomocou nasledujúceho experimentu, pri ktorom vzduchové bubliny stúpajú v kuchynskom oleji (vidno však iba zväčšenie objemu; nie pokles teploty vo stúpajúcich vzduchových bublinách).
Zdá sa, že stúpajúci balón na obrázku 1 nepatrí do kapitoly „adiabatický výstup“, pretože uzavretý vzduch sa počas výstupu ďalej ohrieva čiernou plastovou obálkou.