Основные законы идеальных газов

Основные законы идеальных газов. Газ, молекулы которого не взаимодействуют друг с другом, и имеют размеры, значительно меньшие, чем расстояния между ними, называется идеальным газом. Термодинамическая система предназначенная для превращения одного вида энергии в другой должна получить от какого-либо тела окружающей среды энергию одного вида и отдать другому телу окружающей среды энергию другого вида (либо другого потенциала).

Процессы получения энергии и передачи ее осуществляются с помощью рабочего тела системы. В качестве рабочего тела в принципе можно использовать любое вещество, но практическое применение получили только паро-газовые вещества, которые под воздействием давления или температуры способны значительно изменять свой объем. Конкретный выбор рабочего тела определяется типом и назначением машины. В паровых турбинах это водный пар, в газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях – продукты сгорания топлива, в холодильных машинах – пары аммиака, фреона и других холодильных агентов.

Паровые и газовые вещества представляют собой совокупность огромного числа молекул, находящихся в непрерывном движении. Между молекулами действуют межмолекулярные силы, которые тем больше, чем меньше расстояния между молекулами. Если расстояние между молекулами достаточно велико, то силы межмолекулярного взаимодействия значительно ослабевают.

Введение понятия «идеальный газ» в термодинамике дает возможность найти более простые аналитические зависимости между параметрами. Величина расхождения в свойствах идеальных и реальных газов зависит от условий, в которых находится идеальный газ. Азот, водород, гелий и другие газы с малой молекулярной массой даже при комнатной температуре и атмосферном давлении ведут себя как идеальный газ. Законы идеального газа во многих случаях могут применяться для расчета реальных газов.

Законы поведения идеальных газов были найдены эмпирическим путем в 17-19 столетиях.

В 1662 г. Р. Бойль и в 1676 г. Э. Мариотт независимо друг от друга обнаружили, что при постоянной температуре произведение давления газа на его объем величина постоянная. Т.е. при изотермическом процессе расширения или сжатия газа:

Это соотношение имеет название закона Бойля-Мариотта. Отсюда можно записать:

На рис. 6.1 показаны изотермический, изобарный и изохорный процессы.

Рис. 6.1. Изобарный, изохорный и изотермический процессы

При изображении изотермического процесса в р–u координатной сетке (исходя из уравнения ) изотерма примет вид равнобокой гиперболы. Это значит, что площади (1-a-2-0, 3-b-4-0 и 5-c-6-0) будут равны. Кривая (a-b-c) называется изотермой.

Закон Гей-Люссака (1802) устанавливает зависимость между удельным объемом и абсолютной температурой при . При постоянном давлении удельный объем газа изменяется прямо пропорционально температуре:

Процесс при  называется изобарным, изображается в р–u координатах изобарой a-c’.

Примеры изотермического процесса: кипение воды в открытом сосуде (или конденсация пара), таяние льда (или замерзание воды). Изобарный процесс – нагрев воды в открытом сосуде.

Процессы при постоянном объеме называются изохорными и подчиняются закону Шарля (например нагрев воды в герметически закрытом сосуде). При постоянном удельном объеме абсолютное давление газа изменяется прямо пропорционально изменению давления (температуры):

Прямая a-c» изображает изохорный процесс в р–u диаграмме и называется изохорой.