ضغط ثابت الحرارة هو أحد العمليات الديناميكية الحرارية التي يتم فيها ضغط الغاز بدون تبادل حراري مع البيئة. يتميز الغاز أحادي الذرة المثالي ، مثل الهيليوم أو النيون ، ببنية جزيئية بسيطة وغياب الطاقة الداخلية بخلاف طاقة الحركة الحرارية.
مع ضغط ثابت الحرارة للغاز المثالي ، هناك زيادة في كثافة الجزيئات في الحجم ، وبالتالي زيادة في الضغط. ويرجع ذلك إلى ضغط الجزيئات مع بعضها البعض دون فقدان الطاقة في شكل حرارة. وبالتالي ، يزداد العمل على جزيئات الغاز مع ضغط ثابت الحرارة.
يمكن حساب التغيير في العمل على الجزيئات أثناء ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي باستخدام معادلة ثابتة الحرارة. في الوقت نفسه ، يتم أخذ السعة الحرارية غير الموزعة للغاز في الاعتبار ، مما يعبر عن قدرته على تخزين الطاقة الداخلية في عملية ضغط ثابت الحرارة.
من المهم ملاحظة أن التغيير في العمل على الجزيئات أثناء الضغط الثابت للغاز أحادي الذرة المثالي يعتمد على درجة حرارة الغاز. في درجات حرارة منخفضة مثل 20 كلفن ، سيكون التغيير في التشغيل كبيرا وسيؤدي إلى زيادة كبيرة في الضغط. ومع ذلك ، في درجات الحرارة المرتفعة ، لن يكون التغيير في التشغيل كبيرا جدا.
وبالتالي ، فإن ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي عند درجة حرارة 20 كلفن يؤدي إلى زيادة في العمل على الجزيئات وزيادة مقابلة في الضغط. يمكن حساب هذه العملية بناء على المعادلة الثابتة مع مراعاة السعة الحرارية غير الموزعة للغاز.
- ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي
- تغيير العمل على الجزيئات عند درجة حرارة 20 كلفن
- تعريف ضغط ثابت الحرارة
- خصائص الغاز أحادي الذرة المثالي
- معلمات لتغيير العمل على الجزيئات
- اعتماد العمل على درجة الحرارة
- توازن الطاقة أثناء ضغط ثابت الحرارة
- سؤال وجواب
- كيف يحدث ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة المثالي?
- كيف يتغير العمل على الجزيئات أثناء ضغط ثابت الحرارة?
- ما هو الغاز المثالي أحادي الذرة?
- كيف تتغير درجة الحرارة أثناء ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي?
ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي
الضغط الأديباتي للغاز أحادي الذرة المثالي هو عملية تغيير حجم الغاز أحادي الذرة دون تبادل الحرارة مع البيئة. أثناء ضغط ثابت الحرارة ، تزداد درجة حرارة الغاز مع تحويل العمل على الغاز إلى طاقته الداخلية.
يمكن تحديد العمل على الغاز تحت ضغط ثابت الحرارة باستخدام معادلة ثابتة الحرارة:
العمل على الغاز = U ش = السيرة الذاتية * (نهاية-بداية)
أين:
- U ش هو التغيير في الطاقة الداخلية للغاز;
- السيرة الذاتية هي السعة الحرارية المولية عند حجم ثابت من الغاز;
- درجة حرارة الغاز النهائية المحدودة;
- تناش هي درجة الحرارة الأولية للغاز.
بسبب عملية ثابت الحرارة ، لا يتبادل الغاز الحرارة مع البيئة ، لذلك يتم تحويل العمل على الغاز بالكامل إلى طاقته الداخلية نتيجة لزيادة درجة حرارته.
من المهم أن نلاحظ أن الضغط الثابت للغاز أحادي الذرة المثالي هو إضفاء الطابع المثالي على العملية الحقيقية. في الواقع ، هناك دائما بعض فقدان الحرارة والطاقة بسبب احتكاك الغاز الخارج ومحيطه.
تغيير العمل على الجزيئات عند درجة حرارة 20 كلفن
درجة حرارة 20 كلفن منخفضة جدا بالنسبة لمعظم المواد ، لذلك قد يكون سلوك الغاز عند درجة الحرارة هذه غير عادي.
للحصول على غاز أحادي الذرة مثالي يتكون من جزيئات ذرة واحدة ، يمكن اعتبار التغيير في العمل على الجزيئات تحت ضغط ثابت الحرارة عند درجة حرارة 20 كلفن على النحو التالي:
مع ضغط ثابت الحرارة للغاز ، تبدأ الجزيئات في الاقتراب من بعضها البعض. في هذه العملية ، يزداد العمل على الجزيئات.
عند درجة حرارة 20 كلفن ، تكون معظم الجزيئات في حالة الطاقة الأرضية ، ويمكن تقريب حركتها إلى تذبذب توافقي حول موضع توازن.
مع ضغط ثابت الحرارة ، تزداد القوى المؤثرة على الجزيئات ، ويصبح اتساع اهتزازات الجزيئات أصغر.
يتم تحديد التغيير في العمل على الجزيئات من خلال التغيير في اتساع الاهتزازات والقوة المؤثرة على الجزيئات.
عند درجة حرارة منخفضة بدرجة كافية تبلغ 20 كلفن ، قد يكون التغيير في العمل على الجزيئات ضئيلا مقارنة بدرجات الحرارة المرتفعة.
وهكذا ، مع ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي عند درجة حرارة 20 كلفن ، سيعتمد التغيير في العمل على الجزيئات على التغير في اتساع اهتزازات الجزيئات والقوة المؤثرة عليها.
تعريف ضغط ثابت الحرارة
ثابت الحرارة هو عملية في الفيزياء تحدث بدون تبادل حراري مع البيئة. في حالة ضغط الغاز ، يعني الضغط الثابت أنه لا يتم نقل الحرارة إلى البيئة الخارجية ، ويتم ضغط الغاز نفسه بسرعة ودون فقدان الطاقة.
يتم تقريب الغاز أحادي الذرة المثالي مثل الهيليوم أو النيون بشكل جيد بواسطة نموذج غاز مثالي تتفاعل فيه جزيئات الغاز فقط عن طريق الاصطدامات المرنة وليس لها بنية داخلية.
تؤثر درجة حرارة الغاز على ضغطه وحجمه. مع ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة بدون تبادل حراري مع البيئة ، يزداد ضغط ودرجة حرارة الغاز ، ويقل حجم الغاز.
يمكن تحديد التغيير في العمل على جزيئات الغاز أثناء الضغط الثابت باستخدام القانون الأول للديناميكا الحرارية:
Q س = U ش + W ث
- Q س هو التغيير في الطاقة الحرارية (يساوي الصفر في حالة عملية ثابت الحرارة)
- U ش هو التغيير في الطاقة الداخلية للغاز
- W ث-تغيير العمل على جزيئات الغاز
وبالتالي ، في حالة الضغط الثابت للغاز أحادي الذرة المثالي ، يمكن تعريف التغيير في العمل على الجزيئات على أنه الفرق بين التغيير في الطاقة الداخلية للغاز والتغير في الطاقة الحرارية.
خصائص الغاز أحادي الذرة المثالي
الغاز أحادي الذرة المثالي هو نموذج لغاز يتكون من جزيئات ذرة واحدة لا تتفاعل مع بعضها البعض. مثل هذا الغاز مرن تماما ويتم وصف سلوكه من خلال معادلة حالة الغاز المثالي.
خصائص الغاز أحادي الذرة المثالي:
- ثابت الغاز (ص): بالنسبة للغاز أحادي الذرة المثالي ، يكون لثابت الغاز قيمة تساوي تقريبا 8.31 جول / (مول·ك).
- الكتلة الذرية النسبية (م): بالنسبة للغاز أحادي الذرة المثالي ، فإن الكتلة الذرية النسبية تساوي كتلة ذرة الغاز ، معبرا عنها بوحدات الكتلة الذرية.
- معادلة حالة الغاز المثالي: بالنسبة للغاز أحادي الذرة المثالي ، فإن معادلة الحالة لها الشكل: الكهروضوئية = العلاج ببدائل النيكوتين ، أين ص هو ضغط الغاز ، الخامس هو حجم الغاز ، ن هي كمية مادة الغاز في المولات ، ص هو ثابت الغاز ، ر هي درجة حرارة الغاز في كلفن.
- الضغط ودرجة الحرارة: يمكن قياس ضغط ودرجة حرارة الغاز أحادي الذرة المثالي بأي وحدة قياس ، ولكن في وحدات النظام الدولي للوحدات ، يقاس الضغط بالباسكال (باسكال) ودرجة الحرارة بالكلفن (ك).
- قانون ماريوت: ينص قانون ماريوت على أنه بالنسبة للغاز أحادي الذرة المثالي بحجم ثابت ، ستفقد جزيئات الغاز المثالي بعد الاصطدام بجدران الوعاء وسيكون تواتر الاصطدامات مساويا لعدد الغازات المثالية (في الواقع ، لا يوجد في كثير من الأحيان حركة تذبذبية ، لكن هذه اللحظة تجعل الأمر أسهل بشكل منفصل ، ضع في اعتبارك اللحظة النوعية الرئيسية للغاز المثالي-عدم وجود قوى تنطوي على طاقة حركية ، وفي الواقع ، عدم وجود اتصالات بين الجزيئات)
الغاز أحادي الذرة المثالي هو نموذج مهم يستخدم في الفيزياء والكيمياء لتبسيط العمليات الحسابية وشرح الظواهر المختلفة التي تحدث في وسط غازي.
معلمات لتغيير العمل على الجزيئات
- درجة حرارة الغاز: 20 ك
- الوزن الجزيئي للغاز: غاز أحادي الذرة
- كتلة جزيء غاز واحد
- حجم الغاز الأولي
- الحجم النهائي للغاز
- التغيير في كتلة الغاز
- تغيير الحرارة
مع ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي ، يتغير العمل على الجزيئات ، والذي يعتمد على عدد من المعلمات.
درجة حرارة الغاز هي واحدة من المعلمات الهامة التي تحدد التغيير في العمل على الجزيئات. في هذه الحالة ، تكون درجة الحرارة 20 كلفن.
يلعب الوزن الجزيئي للغاز أيضا دورا مهما. بالنسبة للغاز أحادي الذرة ، ستختلف كتلة جزيء واحد عن الغازات ذات الهياكل الجزيئية الأكثر تعقيدا.
تؤثر الأحجام الأولية والنهائية للغاز أيضا على العمل على الجزيئات. يمكن أن يحدث التغيير في حجم الغاز بسبب عوامل مختلفة ، مثل ضغط الغاز أو تمدده.
سيؤثر التغيير في كتلة الغاز أيضا على التغيير في العمل على الجزيئات. مع ضغط ثابت الحرارة لغاز مثالي أحادي الذرة ، قد تظل كتلة الغاز ثابتة ، ولكن في حالات أخرى قد تتغير.
أخيرا ، يؤثر التغير في الحرارة أيضا على العمل على الجزيئات. في عملية ثابت الحرارة ، يحدث تغير الحرارة دون تبادل الحرارة مع البيئة.
| درجة حرارة الغاز | الوزن الجزيئي للغاز | حجم الغاز الأولي | الحجم النهائي للغاز | التغيير في كتلة الغاز | تغيير الحرارة |
|---|---|---|---|---|---|
| 20 ألف | غاز أحادي الذرة | الحجم الأولي | المجلد النهائي | التغيير في الكتلة | تغيير الحرارة |
اعتماد العمل على درجة الحرارة
يحدث ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي بدون تبادل حراري مع البيئة. مع هذا الضغط ، يتم نقل طاقة الغاز فقط للعمل على الغاز. يعتمد العمل الذي يقوم به الغاز في ضغط ثابت الحرارة على عوامل مختلفة ، بما في ذلك درجة حرارة الغاز.
يمكن التعبير عن التغيير في العمل على جزيئات الغاز المثالي أثناء ضغط ثابت الحرارة من خلال تغيير في طاقته الداخلية. ترتبط الطاقة الداخلية للغاز المثالي بدرجة حرارته من خلال معادلة الحالة:
ش = (3/2) * ن * ص * ر
أين ش هي الطاقة الداخلية للغاز ، ن هو عدد جزيئات الغاز ، ص هو ثابت الغاز العالمي ، ر هي درجة حرارة الغاز في كلفن.
ويترتب على هذه المعادلة أن الطاقة الداخلية للغاز المثالي تتناسب طرديا مع درجة حرارته. وبالتالي ، فإن التغيير في العمل على جزيئات الغاز المثالي أثناء ضغط ثابت الحرارة سيعتمد أيضا على التغيرات في درجة حرارته.
مع ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي ، تزداد كثافته ودرجة حرارته. نتيجة لزيادة درجة حرارة الغاز ، تزداد طاقته الداخلية، مما يؤدي إلى زيادة العمل على جزيئات الغاز. لذلك ، يمكن الاستنتاج أن العمل على الغاز أثناء ضغط ثابت الحرارة يعتمد على درجة حرارة الغاز ويزيد مع زيادة درجة الحرارة.
توازن الطاقة أثناء ضغط ثابت الحرارة
الضغط الأديباتي للغاز أحادي الذرة المثالي هو عملية يتم فيها ضغط الغاز دون تبادل حراري مع البيئة. خلال هذه العملية ، تحدث تغيرات في الطاقة من أنواع مختلفة في الغاز.
واحدة من المعلمات الهامة في ضغط ثابت الحرارة هو العمل على جزيئات الغاز. عندما يتم ضغط الغاز ، تتصادم الجزيئات مع بعضها البعض وتؤدي العمل ، وتتغلب على قوى الجذب الداخلية. هذا يؤدي إلى زيادة في طاقة الغاز.
يمكن التعبير عن العمل على جزيئات الغاز باستخدام الصيغة التالية:
العمل = أوشمو + أوشكي + أوشبي
- أومو-التغيير في الطاقة الداخلية للغاز;
- أولك هو تغيير في الطاقة الحركية للغاز;
- أومب هو تغيير في الطاقة الكامنة للغاز.
تتميز عملية الضغط الأديباتي للغاز أحادي الذرة المثالي بحقيقة أن الطاقة الداخلية للغاز تتغير فقط بسبب التغيرات في درجة حرارته. وهذا هو ، أوشمو = كف أوشمت ، حيث سب هو الحرارة النوعية المولية في حجم ثابت من الغاز ، أوشمت هو التغير في درجة حرارة الغاز.
قد تختلف الطاقة الحركية للغاز في هذه العملية أيضا. إذا كان الغاز يتحرك بسرعة الخامس ، ثم أومك = (م2) / 2 ، أين م هي كتلة الغاز. ومع ذلك ، في حالة ضغط ثابت الحرارة للغاز ، لا تتغير سرعة جزيئاته عادة ، وبالتالي Δ 0.
تعتمد الطاقة الكامنة للغاز على تفاعل جزيئاته مع الجزيئات الأخرى والأجسام المحيطة. مع ضغط ثابت الحرارة للغاز ، تتغير الطاقة الكامنة أيضا. ومع ذلك ، من الصعب التعبير عن تغييره بشكل صريح ويعتمد على ظروف الضغط المحددة.
وبالتالي ، يمكن التعبير عن توازن الطاقة أثناء الضغط الثابت لغاز أحادي الذرة المثالي بواسطة الصيغة:
| العمل | = | أوشمو + أوشكي + أوشبي | = | كفδ + 0 + Δ |
|---|
يمكن أن نرى من هذه الصيغة أن العمل على جزيئات الغاز أثناء ضغط ثابت الحرارة يعتمد على التغيرات في الطاقة الداخلية للغاز والتغيرات في طاقته الكامنة.
سؤال وجواب
كيف يحدث ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة المثالي?
يحدث ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي بدون تبادل حراري مع البيئة. عندما يتم ضغط الغاز ، يزداد الضغط ، وينخفض حجمه.
كيف يتغير العمل على الجزيئات أثناء ضغط ثابت الحرارة?
مع ضغط ثابت الحرارة ، يزداد العمل على جزيئات الغاز. ويرجع ذلك إلى زيادة الضغط ، الأمر الذي يتطلب مساهمة طاقة أكبر لضغط الغاز.
ما هو الغاز المثالي أحادي الذرة?
الغاز المثالي أحادي الذرة هو غاز يتكون من ذرات عنصر واحد لا تتفاعل مع بعضها البعض ومع البيئة. في مثل هذا الغاز ، لا توجد روابط مادية أو قوى جذب بين الجزيئات.
كيف تتغير درجة الحرارة أثناء ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي?
مع ضغط ثابت الحرارة لغاز أحادي الذرة مثالي ، تزداد درجة حرارته. ويرجع ذلك إلى زيادة العمل على جزيئات الغاز ، مما يؤدي إلى زيادة طاقتها ، وبالتالي درجة الحرارة.