Model gazu idealnego, zachowanie, przykłady

A Gaz doskonały albo Idealny gaz Jest to taki, w którym siła przyciągania lub odpychania molekularnego jest uważana za nieznaczącą między cząstkami, które ją tworzą, dlatego cała jej energia wewnętrzna jest kinetyczna, to znaczy energia związana z ruchem.

W takim gazie cząstki są zwykle dość daleko od siebie, chociaż czasami zderzają się ze sobą i ze ścianami pojemnika.

W gazie idealnym cząstki są z dala od siebie

Z drugiej strony w gazie idealnym rozmiar lub masa cząstek nie ma znaczenia, ponieważ objętość zajmowana przez nich powinna być bardzo mała w porównaniu z objętością samego gazu.

Jest to oczywiście tylko podejście, ponieważ w rzeczywistości zawsze istnieje pewien stopień interakcji między atomami i cząsteczkami. Wiemy również, że cząstki zajmują przestrzeń i mają masę.

Jednak w wielu przypadkach założenia te działają całkiem dobrze, takie jak gazy o niskiej masie cząsteczkowej, w dobrym zakresie ciśnień i temperatur.

Jednak gazy o wysokiej masie cząsteczkowej, szczególnie przy wysokich ciśnieniach lub niskich temperaturach, w ogóle nie zachowują się jak gazy idealne i potrzebują innych modeli utworzonych w celu opisania ich z większą precyzją.

[TOC]

Pierwsze eksperymenty

Prawa rządzące gazami są empiryczne, to znaczy powstały z eksperymentów. Najbardziej godne uwagi eksperymenty przeprowadzono w siedemnastym, osiemnastym i na początku XIX wieku.

Po pierwsze, Robert Boyle (1627-1691) i Edme Mariotte (1620-1684), którzy niezależnie zmodyfikowali ciśnienie w gazie i zarejestrował zmianę tom, odkrycie, że były odwrotnie proporcjonalne: pod większym ciśnieniem, mniej objętości.

Robert Boyle

Ze swojej strony Jacques Charles (1746-1823) ustalił ten tom i temperatura Absolutny był bezpośrednio proporcjonalny, o ile ciśnienie pozostało stałe.

Może ci służyć: fale stacjonarne: wzory, cechy, typy, przykłady

Amadeo Avogadro (1776–1856) odkrył, że dwie identyczne objętości różnych gazów zawierały tę samą ilość cząstek, o ile ciśnienie i temperatura były takie same. I wreszcie Joseph de Gay Lussac (1778–1850) powiedział, że utrzymując stałą objętość, ciśnienie w gazie jest wprost proporcjonalne do temperatury.

Prawa gazów idealnych

Te odkrycia są wyrażane przez proste formuły, wzywające P do presji, V do objętości, N do liczby cząstek i T Idealna temperatura gazu:

Boyle-Maleotte Law

Pod warunkiem, że temperatura jest ustalona, ​​następują następujące:

P⋅V = stała

Charles Law

Gdy gaz jest pod stałym ciśnieniem:

V / t = stała

Gay Lussac Law

Utrzymanie gazu przy stałej objętości jest prawdą, że:

p / t = stała

Prawo Avogadro

Identyczne objętości gazu, w tych samych warunkach ciśnienia i temperatury mają taką samą liczbę cząstek. Dlatego możemy napisać:

V ∝ n

Gdzie n jest liczbą cząstek, a ∝ jest symbolem proporcjonalności.

Model gazu idealnego

Model gazu idealnego opisuje gaz, tak::

-Kiedy cząstki oddziałują na to przez bardzo krótki czas, poprzez elastyczne starcia, w których zachowuje się impuls i energia kinetyczna.

-Jego cząsteczki składowe są punktualne, innymi słowy, jej średnica jest znacznie niższa niż średnia odległość, którą podróżują między jednym a drugą kolizją.

-Siły międzycząsteczkowe nie istnieją.

-Energia kinetyczna jest proporcjonalna do temperatury.

Gazy monoatomowe - których atomy nie są ze sobą powiązane - i niska masa cząsteczkowa, w standardowych warunkach ciśnienia i temperatury (ciśnienie atmosferyczne i temperatura 0 º C), mają takie zachowanie, że model gazu idealnego jest bardzo dobrym opisem dla dla bardzo dobrego opisu dla ich.

Może ci służyć: vy canis majoris: odkrycie, cechy, struktura, szkolenie i ewolucja

Idealne równanie stanu gazu

Prawa powyższych gazów są łączone w celu utworzenia ogólnego równania, które reguluje idealne zachowanie gazu:

V ∝ n

V ∝ t

Dlatego:

V ∝ n⋅t

Ponadto, o prawie Boyle:

V = stała / p

Następnie możemy potwierdzić:

V = (stała x n⋅t) / p

Stała nazywa się stała gazu I jest to oznaczone literą r. Z tym wyborem równanie gazowe idealne wiąże cztery zmienne opisujące stan gazu, a mianowicie N, R, P i T, opuszczając:

P⋅v = n⋅r⋅t

To stosunkowo proste równanie jest zgodne z prawami gazów idealnych. Na przykład, jeśli temperatura jest stała, równanie jest zredukowane do prawa Boyle-Maleotte.

Stała gazu

Jak powiedzieliśmy wcześniej, w standardowych warunkach temperatury i ciśnienia, to znaczy w 0ºC (273.15 K) i 1 atmosfera ciśnieniowa, zachowanie wielu gazów jest blisko idealnego gazu. W tych warunkach objętość 1 molowego gazu wynosi 22.414 l.

W tym wypadku:

R = (p⋅V) / (n⋅t) = (1 atm x 22.414 l) / (1 mol x 273.15 K) = 0.0821 ATM ⋅ l /mol ⋅ k

Stałą gazu można również wyrazić w innych jednostkach, na przykład w systemie międzynarodowym, jeśli jest wart:

R = 8314 j⋅ mol^-1⋅ k^-1

Kiedy problem jest rozwiązywany poprzez prawo gazów idealnych, wygodnie jest zwrócić uwagę na jednostki, w których stała jest wyrażona, ponieważ, jak widzimy, istnieje wiele możliwości.

Zachowanie idealnego gazu

Jak powiedzieliśmy, każdy gaz w standardowych warunkach ciśnienia i temperatury, który ma niską masę cząsteczkową, zachowuje. Dlatego równanie p⋅v = n⋅r⋅t ma zastosowanie do znalezienia związku między czterema zmiennymi, które go opisują: n, p, v i t.

Może ci służyć: model atomowy Heisenberga

W ten sposób możemy sobie wyobrazić idealną część gazu zablokowaną w pojemniku i utworzona przez małe cząstki, które czasami zderzają się ze sobą i ze ścianami pojemnika, zawsze elastycznie.

To właśnie widzimy w następującej animacji porcji helu, szlachetnego i monoatomicznego gazu:

Hel jest szlachetnym gazem, w animacji część atomów helu jest pokazana w pojemniku. Czerwone służą do lepszego rozróżnienia ruchu. Źródło: Wikimedia Commons.

Przykłady idealnych gazów

Gaz idealny jest hipotetycznym gazem, to znaczy jest idealizacją, jednak w praktyce wiele gazów zachowuje się w bardzo bliski sposób, co umożliwia precyzyjne model.

Gazy szlachetne

Przykładem gazów, które zachowują się jako ideały w standardowych warunkach, to gazy szlachetne, a także gazy lekkie: wodór, tlen i azot.

Balon aerostatyczny

Model gazu idealnego wyjaśnia, w jaki sposób balon na gorące powietrze. Źródło: Wikimedia Commons.

Do aerostatycznego balonu na rycinie 1 może być zastosowane przez prawo Charlesa: gaz jest ogrzewany, dlatego powietrze wypełniające glob rozszerza się.

Balony helu

Hel jest, wraz z wodorem, najczęstszym elementem we wszechświecie, a jednak jest rzadki na ziemi. Ponieważ szlachetny gaz jest obojętny, w przeciwieństwie do wodoru, więc pełne balony helu są szeroko stosowane jako elementy dekoracyjne.

Bibliografia

1. Atkins, str. 1999. Chemia fizyczna. Omega Editions.
2. Chang, R. 2013. Chemia. 11va. Wydanie. MC Graw Hill Education.
3. Cengel i. 2012. Termodynamika. 7. edycja. McGraw Hill.
4. Cimbala, c. 2006. Mechanika płynów, podstaw i zastosowań. MC. Graw Hill.
5. Giambattista, a. 2010. Fizyka. 2. Wyd. McGraw Hill.