Prirodni fenomeni i procesi koji nas okružuju prilično su složeni. Za njihov tačan fizički opis treba koristiti glomazan matematički aparat i uzeti u obzir veliki broj značajnih faktora. Da bi se izbjegao ovaj problem, u fizici se koriste neki pojednostavljeni modeli koji uvelike olakšavaju matematičku analizu procesa, ali praktično ne utiču na tačnost njegovog opisa. Jedan od njih je model idealnog gasa. Pogledajmo to detaljnije u članku.
Koncept idealnog gasa
Idealni gas je agregatno stanje materije koje se sastoji od neinteraktivnih materijalnih tačaka. Objasnimo detaljnije takva definicija.
Prvo, govorimo o materijalnim tačkama kao objekti, koji čine idealan gas. To znači da njegovi molekuli i atomi nemaju veličinu, već imaju određenu masu. Ova podebljana aproksimacija može se napraviti uzimajući u obzir činjenicu da u svim stvarnim plinovima pri niskom pritisku i visokim temperaturama udaljenost između molekula daleko premašuje njihove linearne dimenzije.
Drugo, molekuli u idealnom gasu ne bi trebalo da stupaju u interakciju jedni sa drugima. U stvarnosti, takve interakcije uvijek postoje. Dakle, čak i atomi plemenitog gasa doživljavaju dipol-dipol privlačnost. Drugim riječima, postoje van der Waalsove interakcije. Ipak, u poređenju sa kinetičkom energijom rotacije i translacionog kretanja molekula, ove interakcije su toliko beznačajne da ne utiču na svojstva gasova. Stoga se ne mogu posmatrati prilikom rješavanja praktičnih problema.
Važno je napomenuti da se svi plinovi u kojima je gustina niska, a temperatura visoka ne mogu smatrati idealnim. Pored van der Waalsovih interakcija, postoje i druge, jače vrste veza, na primjer, vodonične veze između h molekula2O, što dovodi do grubog kršenja uslova idealnosti gasa. Iz tog razloga vodena para nije idealan gas, a vazduh je.
![/ vodena para-pravi gas](https://cdn2.faqukr.com/fimg/fizicheskaja-model-idealnogo-gaza-model-idealnogo_2.webp)
Fizički model idealnog gasa
Ovaj model se može predstaviti na sljedeći način: pretpostavimo da gasni sistem sadrži N čestica. To mogu biti atomi i molekuli različitih hemikalija i elemenata. Broj čestica N je velik, pa jedinica mol se obično koristi za njegovo opisivanje "" (1 mol odgovara Avogadro broju). Svi se kreću u nekom obimu V. Pokreti čestica su haotični i nezavisni jedni od drugih. Svaki od njih ima određenu brzinu v i kreće se po pravoj trajektorija.
Teoretski, vjerovatnoća sudara između čestica je praktički nula, jer je njihova veličina mala u odnosu na međuparčestice. Međutim, ako dođe do takvog sudara, onda je apsolutno elastičan. U drugom slučaju, ukupni impuls čestica i njihova kinetička energija se čuvaju.
Razmatrani model idealnih gasova je klasičan sistem sa ogromnim brojem elemenata. Stoga su brzine i energija čestica u njemu u skladu sa statističkom Maxwell-Boltzmannovom distribucijom. Neke čestice imaju male brzine, druge velike. Istovremeno, postoji određeno usko ograničenje brzine u kojem leže najvjerovatnije vrijednosti ove vrijednosti. Grafikon raspodjele molekula azota po brzinama shematski je prikazan ispod.
![/ Maxwell distribucija po brzinama](https://cdn2.faqukr.com/fimg/fizicheskaja-model-idealnogo-gaza-model-idealnogo_3.webp)
Kinetička teorija gasova
Gore opisani model idealnih gasova nedvosmisleno definiše svojstva gasova. Ovaj model je prvi predložio Daniel Bernoulli 1738. godine.
![/ Daniel Bernoulli](https://cdn2.faqukr.com/fimg/fizicheskaja-model-idealnogo-gaza-model-idealnogo_4.webp)
Nakon toga, do današnjeg stanja razvili su ga August Krenig, Rudolf Clausius, Mihail Lomonosov, James Maxwell, Ludwig Boltzmann, Marian Smolukhovsky i drugi naučnici.
Kinetička teorija fluidnih supstanci, na osnovu koje se konstruiše model idealnog gasa, objašnjava dva važna makroskopska svojstva sistema na osnovu njegovog mikroskopskog ponašanja:
- Pritisak u gasovima je rezultat sudara čestica sa zidovima posude.
- Temperatura u sistemu rezultat je manifestacije stalnog kretanja molekula i atoma.
, detaljnije ćemo otkriti oba zaključka kinetičke teorije.
Pritisak gasa
![/ Stvaranje pritiska molekula gasa](https://cdn2.faqukr.com/fimg/fizicheskaja-model-idealnogo-gaza-model-idealnogo_5.webp)
Model idealnog gasa pretpostavlja stalno kaotično kretanje čestica u sistemu i njihov stalni sudar sa zidovima posude. Svaki takav sudar smatra se apsolutno elastičnim. Masa čestica je mala (≈10-27-10-25 kg). Stoga ne može stvoriti veliki pritisak u sudaru. Ipak, broj čestica, a time i sudara, je ogroman (≈1023). Pored toga, prosječna kvadratna brzina elemenata je nekoliko stotina metara u sekundi na sobnoj temperaturi. Sve to dovodi do stvaranja opipljivog pritiska na zidove plovila. Može se izračunati koristeći sljedeću formulu:
P = N * m * vcp2 / (3 * V),
gde vcp - je prosječna kvadratna brzina, m je masa čestice.
Apsolutna temperatura
Prema modelu idealnog gasa, temperatura je jedinstveno određena prosječnom kinetičkom energijom molekula ili atoma u sistemu koji se proučava. Možete napisati sljedeći izraz koji povezuje kinetičku energiju i apsolutnu temperaturu za ideal gas:
m * vcp2 / 2 = 3 / 2 * kB * T.
Ovdje kB - je Boltzmannova konstanta. Iz ove jednakosti dobijamo:
T = m * vcp2 / (3 * kB).
Univerzalna jednačina stanja
Ako kombiniramo gore napisane izraze za apsolutni pritisak P i apsolutna temperatura T, tada možemo napisati sljedeću jednakost:
P * V = n * R * T.
Ovdje je n količina supstance u molovima, R je konstanta gasa koju uvodi D. I. Mendeljejev. Ovaj izraz je najvažnija jednačina teorije idealnih gasova, jer kombinuje tri termodinamička parametra (V, P, T) i ne zavisi od hemijskih karakteristika gasnog sistema.
![/ Emile Clapeyron](https://cdn2.faqukr.com/fimg/fizicheskaja-model-idealnogo-gaza-model-idealnogo_6.webp)
Univerzalnu jednačinu prvi je eksperimentalno izveo francuski fizičar Emile Clapeyron u XIX vijeku, a zatim ju je u svoj moderni oblik doveo ruski hemičar Mendeljejev, pa sada nosi imena ovih naučnika.