Ізопроцеси в газах
При сталій масі газу добуток об’єму на тиск, поділений на абсолютну температуру газу, є величина , однакова для всіх станів цієї маси газу.
Газові закони
Газовий закон, який виражає залежність між всіма трьома параметрами газу, називається об’єднаним газовим законом.
Зв’язок між тиском, об’ємом і температурою певної маси газу встановлюють зі співвідношення:
p=n0kT
Оскільки n0 – це кількість молекул газу в одиниці об’єму газу, то
n0 = N / V,
де N – це загальна кількість молекул, V – об’єм газу. Тоді отримаємо:
p = (N / V)kT, або pV / T = Nk.
Так як при сталій масі газу N залишається незмінним, то Nk – стала величина, тобто:
pV / T = const.
Оскільки значення p, V і T відносяться до одного і того ж стану газу, то:
Отже, якщо числові значення параметрів на початку процесу, що відбувається з певною масою газу, позначити через p1,V1 та T1, а їх значення в кінці процесу відповідно через p2,V2 та T2, то
p1V1/T1 = p2V2/T2
Процеси при яких змінюється лише два з трьох параметрів газу називаються ізопроцесами.
Розглянемо такі ізопроцеси.
1. Ізотермічний процес(m = const, m = const, T = const).
Якщо до ізотермічного процесу застосувати рівняння стану у вигляді (3.1.16), то з урахуванням сталості температури T1 = T2 воно набуде вигляду
p1V1 = p2V2, pV = const, (3.1.17)
і тому закон Бойля - Маріотта можна сформулювати так: для деякої маси газу добуток тиску газу на об'єм за T = const є сталою величиною.
Цей закон справедливий для будь-яких газів, які можна вважати ідеальними, а також для їх сумішей.
Графічно залежність тиску газу від об'єму при умові T = const можна зобразити у вигляді кривої -ізотерми в координатах p, V і прямих ліній в координатах p, T та V, T (рис.3.1.13 а, б, в).
Ізотермічним можна вважати процес стиснення повітря компресором, або розширення під поршнем насоса газу внаслідок відкачування його з посудини.
2. Ізобарний процес (m = const, m = const, T = const).
- закон Гей-Люссака,
де V = const·T (y = ax).
Графік залежності об'єму від температури за сталого тиску є прямою лінією, яку називаютьізобарою. На рис.3.1.14 а зображено дві ізобари в координатах V, T за різних значень тиску p1 і p2, причому p1<p2. На рис.3.1.14 б, в наведено графіки ізобарного процесу в координатах p, T, p, V.
3. Ізохорний процес (m = const, m = const, T = const).
; p = const·T (y = ax).
Графіком залежності тиску від температури за сталого об'єму є пряма лінія, яку називаютьізохорою. На рис. 3.1.15 а в координатах p, T зображено дві ізохори за різних значень об'єму V1 і V2, причому V1<V2. На рис. 3.1.15 б, в наведено графіки процесу в координатах V, T і p, V.
Газові закони і їх графічні ілюстрації дозволяють вивчати довільні термодинамічні процеси з ідеальним газом, наприклад, як встановити нагрівається чи охолоджується газ під час переходу з стану 1 у стан 2 (рис.3.1.16). Для того, щоб це визначити, проводять декілька ізотерм. Газ охолоджується, бо ізотерма T3 знаходиться нижче ізотерми T1.
Гази мають низку властивостей, завдяки яким вони незамінні в багатьох технічних установках.
Газ подібний до пружини, яка завжди стиснута. Тиск газу можна змінювати, змінюючи його об'єм або температуру. Крім того, тиск газу залежить від його маси. Збільшуючи масу газу в будь-якому замкненому об'ємі, можна підвищити тиск. Так роблять, накачуючи повітрям автомобільну шину або футбольний м'яч.
Гази порівняно з рідинами і твердими тілами легко стискуються. Велика стисливість газів дає змогу запасати їх у великих кількостях у балонах, зручних для зберігання. Стиснутий природний газ транспортують по трубах на відстані в тисячі кілометрів. Тиск і об'єм газів значно збільшуються з підвищенням температури.
Велика стисливість і легкість, можливість регулювання тиску - усе це робить газ одним із найдосконаліших амортизаторів, який застосовують в багатьох пристроях. Газ - робоче тіло теплових двигунів.