قانون الغاز المثالي لقانون الغاز المثالي ، يختلف الضغط خطيًا حسب درجة الحرارة والكمية ، والعكس بالعكس مع الحجم. الهندسة الحرارية نموذج غاز مثالي يتم استخدام نموذج الغاز المثالي للتنبؤ بسلوك الغازات وهو أحد أكثر النماذج المفيدة والأكثر استخدامًا للمواد التي تم تطويرها على الإطلاق. لقد اكتشفنا أنه إذا حصرنا عينات من مول واحد من غازات مختلفة في حجم مماثل واحتفظنا بها في نفس درجة الحرارة ، فإن ضغطها المقيس يكون متطابقًا تقريبًا. أيضًا ، عندما نحصر الغازات في كثافات أقل ، تميل الاختلافات إلى الاختفاء. لقد وجد أن هذه الغازات تميل إلى الانصياع للعلاقة التالية. المسماة بقانون الغازات المثالية: المحتوى الحراري – مثال – مكبس عديم الاحتكاك الكهروضوئية = nRT أو: p هو الضغط المطلق للغاز ن هي كمية المادة T هي درجة الحرارة المطلقة سترة الحجم R هو ثابت الغاز المثالي أو العالمي ، يساوي حاصل ضرب ثابت. بولتزمان وثابت أفوجادرو.
تكمن قوة قانون الغاز المثالي في بساطته. عندما يتم إعطاء اثنين من المتغيرات الديناميكية الحرارية ، p و v و T ، يمكن إيجاد المتغير الثالث بسهولة. يعتمد نموذج الغاز المثالي على الافتراضات التالية: يتبع ضغط وحجم ودرجة حرارة الغاز المثالي قانون الغاز المثالي. الطاقة الداخلية المحددة هي فقط وظيفة لدرجة الحرارة: u = u (T) الكتلة المولية للغاز المثالي هي نفس الكتلة المولية للمادة الحقيقية درجات الحرارة النوعية – c p و c v – مستقلة عن درجة الحرارة ، مما يعني أنها ثابتة. من وجهة نظر مجهرية ، فإنه يعتمد على هذه الافتراضات: جزيئات الغاز عبارة عن كرات صغيرة صلبة. القوى الوحيدة بين جزيئات .الغاز هي تلك التي تحدد التصادمات النقطية. جميع الاصطدامات مرنة وكل الحركة خالية من الاحتكاك. متوسط المسافة بين الجزيئات. أكبر بكثير من حجم الجزيئات. تتحرك الجزيئات في اتجاهات عشوائية. لا توجد قوة جذب أو تنافر أخرى بين هذه الجزيئات.
إقرأ أيضا:النباتات والإدراكجدول المحتويات
ما هو الغاز المثالي
ما هو الغاز المثالي يُعرَّف الغاز المثالي بأنه الغاز الذي تكون فيه جميع التصادمات بين الذرات أو الجزيئات مرنة تمامًا وحيث لا توجد قوى جذب بين الجزيئات. يمكن تصور الغاز المثالي كمجموعة من المجالات الصلبة تمامًا التي تتصادم ولكنها بخلاف ذلك لا تتفاعل مع بعضها البعض. في الواقع ، لا يوجد غاز حقيقي مثل الغاز المثالي ، وبالتالي لا يوجد غاز حقيقي يتبع تمامًا قانون الغاز المثالي أو معادلته. عند درجات حرارة قريبة من نقطة غليان الغازات ، يؤدي الضغط المتزايد إلى تكثيف وانخفاض حاد في الحجم.
في ضغوط عالية جدًا ، تكون القوى الجزيئية للغاز كبيرة. ومع ذلك ، فإن معظم الغازات تتفق تقريبًا مع الضغوط ودرجات الحرارة فوق نقطة الغليان. يتم استخدام قانون الغاز المثالي من قبل المهندسين العاملين مع الغازات. لأنه سهل الاستخدام ويقارب السلوك الفعلي للغاز. [extract xyz-ihs = “pressure”] راجع أيضًا: التصادم المرن قانون جول الثاني بالنسبة لأي غاز تُعطى معادلة حالته بالضبط بواسطة pV = nRT (أو pv = RT) ، تعتمد الطاقة الداخلية المحددة .على درجة الحرارة فقط.
الطاقة الداخلية لكتلة ثابتة للغاز المثالي
تم اكتشاف هذه القاعدة في الأصل في عام 1843 من قبل الفيزيائي الإنجليزي جيمس بريسكوت جول تجريبيًا للغازات الحقيقية وتُعرف باسم مبدأ جول الثاني: تعتمد الطاقة الداخلية لكتلة ثابتة للغاز المثالي على درجة حرارته فقط. (وليس على الضغط أو الحجم). المحتوى الحراري النوعي للغاز الموصوف بواسطة pV = nRT يعتمد أيضًا على درجة الحرارة فقط. لاحظ أن المحتوى الحراري هو الكمية الديناميكية الحرارية المكافئة للحرارة الكلية للنظام. إنه يساوي الطاقة الداخلية للنظام بالإضافة إلى ناتج الضغط والحجم. في المتغيرات المكثفة ، يتم إعطاء قانون جول الثاني من خلال h = h (T) = u (T) + pv = u (T) + RT.
إقرأ أيضا:صرع الكلابتشكل هذه المعادلات الثلاث نموذج الغاز المثالي ، ونوجزها كالتالي: الكهروضوئية = RT ش = ش (T) ح = ح (T) = ش (T) + RT قانون الغاز المثالي أي معادلة تتعلق بالضغط ودرجة الحرارة والحجم المحدد لمادة ما تسمى معادلة الحالة. أبسط وأشهر معادلة حالة لمواد الطور الغازي هي معادلة الغاز المثالية للحالة. ذكره إميل كلابيرون لأول مرة في عام 1834 كمزيج من قانون بويل التجريبي وقانون تشارلز وقانون أفوجادرو. تتنبأ هذه المعادلة بسلوك pvT للغاز بدقة إلى حد ما.
الغازات المخففة
الغازات المخففة أو ذات الضغط المنخفض. في الغاز المثالي ، ليس للجزيئات حجم ولا تتفاعل. وفقًا لقانون الغاز المثالي ، يختلف الضغط خطيًا حسب درجة الحرارة والكمية ، والعكس بالعكس مع الحجم. الكهروضوئية = nRT أو: p هو الضغط المطلق للغاز ن هي كمية المادة T هي درجة الحرارة المطلقة V هو الحجم R هو ثابت الغاز المثالي أو العالمي ، يساوي حاصل ضرب ثابت بولتزمان وثابت أفوجادرو ، في هذه المعادلة ، الرمز R هو ثابت يسمى ثابت الغاز العام والذي له نفس القيمة لجميع الغازات ، أي R = 8.31 J / mol K. تكمن قوة قانون الغاز المثالي في بساطته. عند إعطاء متغيرين ديناميين حراريين ، p و v و T ، يمكن إيجاد المتغير الثالث بسهولة. تتوافق العديد من الظروف الفيزيائية للغازات التي يحسبها المهندسون مع الوصف أعلاه.
إقرأ أيضا:كيف تحضرين حفلة عيد ميلاد اقتصادية ؟قوانين الغازات
ربما يكون الاستخدام الأكثر شيوعًا لسلوك الغاز الذي درسه المهندسون هو عملية الضغط وعملية التمدد باستخدام تقريب الغاز المثالي. قوانين الغاز بشكل عام ، قوانين الغازات هي معادلات الحالة الأولى ، والتي تربط كثافات الغازات والسوائل بدرجات الحرارة والضغوط. تم تطوير قوانين الغاز بالكامل في نهاية القرن الثامن عشر. سبقت هذه القوانين أو البيانات قانون الغاز المثالي ، لأن هذه القوانين بشكل فردي تعتبر حالات خاصة لمعادلة الغاز المثالية ، مع ثبات واحد أو أكثر من المتغيرات. نظرًا لأنه تم استبدالها بالكامل تقريبًا بمعادلة الغاز المثالية ، فمن غير المعتاد أن يتعلم الطلاب هذه القوانين بالتفصيل.
تم ذكر معادلة الغاز المثالية لأول مرة بواسطة إميل كلابيرون في عام 1834 كمزيج من هذه القوانين: قانون بويل ماريوت قانون تشارلز قانون جاي لوساك قانون أفوجادرو مثال: قانون الغاز المثالي – ضغط الغاز داخل جهاز الضغط الضغط يعتبر جهاز الضغط مكونًا رئيسيًا في PWRs. يتم الحفاظ على الضغط في الدائرة الأولية لـ PWR بواسطة جهاز ضغط ، وهو وعاء منفصل متصل بالدائرة الأولية (الساق الساخنة) ومملوء جزئيًا بالماء الذي يتم تسخينه إلى درجة حرارة التشبع (نقطة الغليان) للضغط المطلوب بواسطة طاقة المشعات المغمورة يتبرع. أثناء تسخين التركيب ، يمكن ملء جهاز الضغط بالنيتروجين بدلاً من البخار المشبع. افترض أن جهاز ضغط يحتوي على 12 م 3 من النيتروجين عند درجة حرارة 20 درجة مئوية و 15 بارًا.
جهاز الضغط؟
ترتفع درجة الحرارة إلى 35 درجة مئوية ويتم تقليل الحجم إلى 8.5 م 3. ما هو ضغط الغاز النهائي داخل جهاز الضغط؟ افترض أن الغاز مثالي. حل: نظرًا لأن الغاز مثالي ، يمكننا استخدام قانون الغاز المثالي لربط معاملاته ، في كل من الحالة الأولية i وفي الحالة النهائية f. لذلك: p init V init = nRT init و p نهائي V نهائي = nRT نهائي بقسمة المعادلة الثانية على المعادلة الأولى ومن خلال حل p f نحصل على: p نهائي = p init T نهائي V init / T حرف V نهائي لاحظ أنه لا يمكننا تحويل وحدات الحجم والضغط إلى وحدات SI أساسية ، لأنها تلغي بعضها البعض. من ناحية أخرى ، علينا استخدام الكلفن بدلاً من الدرجات المئوية.
الضغط الناتج في الحالة النهائية
إذن T init = 293 K و T final = 308 K. ويترتب على ذلك أن الضغط الناتج في الحالة النهائية سيكون: p النهائي = (15 بار) × (308 كلفن) × (12 م 3) / (293 كلفن) × (8.5 م 3) = 22 بار صلاحية قانون الغاز المثالي نظرًا لأن الغاز المثالي يُعرَّف بأنه الغاز الذي تكون فيه جميع التصادمات بين الذرات أو الجزيئات مرنة تمامًا وحيث لا توجد قوى جذب بين الجزيئات ، فلا يوجد شيء اسمه غاز مثالي حقًا في الطبيعة. في المقابل ، تقترب جميع الغازات الحقيقية من الحالة المثالية عند ضغط منخفض (كثافة). عند الضغط المنخفض ، تكون الجزيئات متباعدة بدرجة كافية حتى لا تتفاعل مع بعضها البعض.
بمعنى آخر ، يكون قانون الغاز المثالي دقيقًا فقط عند الضغوط المنخفضة نسبيًا (فيما يتعلق بالضغط الحرج p cr) وفي درجات الحرارة المرتفعة (فيما يتعلق بدرجة الحرارة الحرجة T cr). في هذه الإعدادات ، يكون عامل الانضغاط ، Z = pv / RT ، حوالي 1. يتم استخدام عامل الانضغاط لحساب الانحراف عن الوضع المثالي.
الطاقة الداخلية للغاز المثالي
يعتمد عامل التصحيح هذا على الضغط ودرجة الحرارة لكل غاز يتم النظر فيه. الطاقة الداخلية للغاز المثالي الطاقة الداخلية هي مجموع كل الطاقة المرتبطة بحركة الذرات أو الجزيئات في النظام. تشمل الأشكال المجهرية للطاقة تلك الناتجة عن الدوران والاهتزاز والترجمة والتفاعلات بين جزيئات المادة. الغاز الأحادي – الطاقة الداخلية بالنسبة للغاز المثالي أحادي الذرة (مثل الهيليوم أو النيون أو الأرجون) ، فإن المساهمة الوحيدة في تأتي الطاقة من الطاقة الحركية للترجمة.
متوسط الطاقة الحركية الانتقالية لذرة واحدة يعتمد فقط على درجة حرارة الغاز وتعطى بالمعادلة: K avg = 3/2 كيلوطن. الطاقة الداخلية لعدد n من المولات لغاز أحادي الذرة مثالي (ذرة واحدة لكل جزيء) تساوي متوسط الطاقة الحركية لكل جزيء مضروبًا في العدد الإجمالي للجزيئات ، N: E int = 3/2 NkT = 3/2 nRT أين ن هو عدد الشامات. يساهم كل اتجاه (x و y و z) (1/2) nRT في الطاقة الداخلية. هذا هو المكان الذي تأتي فيه فكرة تقسيم الطاقة – أي مساهمة أخرى في الطاقة يجب أن تساهم أيضًا (1/2) nRT. كما نرى ، فإن الطاقة الداخلية للغاز المثالي تعتمد فقط على درجة الحرارة وعدد مولات الغاز.
طاقة داخلية
جزيء ثنائي الذرة – طاقة داخلية إذا كانت جزيئات الغاز تحتوي على أكثر من ذرة ، فهناك ثلاثة اتجاهات للترجمة ، وتساهم أيضًا الطاقة الحركية للدوران ، ولكن فقط للدورات حول اثنين من المحاور الثلاثة العمودية. المساهمات الخمس في الطاقة (خمس درجات من الحرية) تعطي: الغاز الثنائي المثالي: E int = 5/2 NkT = 5/2 nRT هذا تقريبي فقط وينطبق على درجات الحرارة المتوسطة. في درجات الحرارة المنخفضة ، تساهم الطاقة الحركية الانتقالية فقط ، وفي درجات الحرارة المرتفعة ، تأتي مساهمتان إضافيتان (الطاقة الحركية والمحتملة) من الاهتزازات. ستكون الطاقة الداخلية أكبر عند درجة حرارة معينة منها بالنسبة للغاز أحادي الذرة ، لكنها ستبقى فقط دالة لدرجة حرارة الغاز المثالي. تعتمد الطاقة الداخلية للغازات الحقيقية أيضًا بشكل أساسي على درجة الحرارة ، ولكن مثل قانون الغاز المثالي ، فإن الطاقة الداخلية للغازات الحقيقية تعتمد أيضًا إلى حد ما على الضغط والحجم.
تقترب جميع الغازات الحقيقية من الحالة المثالية عند ضغوط منخفضة (كثافات). عند الضغط المنخفض ، تكون الجزيئات متباعدة بدرجة كافية حتى لا تتفاعل مع بعضها البعض. تعتبر الطاقة الداخلية للسوائل والمواد الصلبة معقدة للغاية ، حيث تشتمل على طاقة الوضع الكهربائي المرتبطة بالقوى (أو الروابط الكيميائية) بين الذرات والجزيئات. حرارة نوعية عند ثبات الحجم والضغط الحرارة النوعية هي خاصية مرتبطة بالطاقة الداخلية وهي مهمة جدًا في الديناميكا الحرارية. يتم تعريف الخواص المكثفة c v و c p للمواد القابلة للانضغاط النقية والبسيطة كمشتقات جزئية للطاقة الداخلية u (T ، v) والمحتوى الحراري h (T ، p) ، على التوالي: حرارة نوعية عند ثبات الحجم والضغط حيث يشير المؤشران v و p إلى المتغيرات الثابتة أثناء التفاضل.
