Что называется изохорным процессом выведите закон шарля

Законы идеальных газов

В XVII – XIX веках были сформулированы опытные законы идеальных газов. Кратко напомним их.

Изопроцессы идеального газа – процессы, при которых один из параметров остаётся неизменным.

1. Изохорический процесс. Закон Шарля. V = const.

Изохорическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном объёме V. Поведение газа при этом изохорическом процессе подчиняется закону Шарля:

При постоянном объёме и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, отношение давления газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: P/Т = const.

График изохорического процесса на РV-диаграмме называется изохорой. Полезно знать график изохорического процесса на РТ— и VT-диаграммах (рис. 1.6). Уравнение изохоры:

Изобарическим процессом называется процесс, протекающий при постоянном давлении Р. Поведение газа при изобарическом процессе подчиняется закону Гей-Люссака:

При постоянном давлении и неизменных значениях массы и газа и его молярной массы, отношение объёма газа к его абсолютной температуре остаётся постоянным: V/T = const.

График изобарического процесса на VT-диаграмме называется изобарой. Полезно знать графики изобарического процесса на РV— и РT-диаграммах (рис. 1.8).

Изотермическим процессом называется процесс, протекающий при постоянной температуре Т.

Поведение идеального газа при изотермическом процессе подчиняется закону Бойля – Мариотта:

При постоянной температуре и неизменных значениях массы газа и его молярной массы, произведение объёма газа на его давление остаётся постоянным: PV = const.

График изотермического процесса на РV-диаграмме называется изотермой. Полезно знать графики изотермического процесса на VT— и РT-диаграммах (рис. 1.10).

Адиабатический процесс – термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой.

5. Политропический процесс. Процесс, при котором теплоёмкость газа остаётся постоянной. Политропический процесс – общий случай всех перечисленных выше процессов.

6. Закон Авогадро. При одинаковых давлениях и одинаковых температурах, в равных объёмах различных идеальных газов содержится одинаковое число молекул. В одном моле различных веществ содержится N_A=6,02·10 23 молекул (число Авогадро).

7. Закон Дальтона. Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений Р, входящих в неё газов:

При , давление смеси газов:

В соответствии с законами Бойля – Мариотта (1.4.5) и Гей-Люссака (1.4.3) можно сделать заключение, что для данной массы газа

Источник

Изохорный процесс

Изохорный, или изохорический процесс (от др.-греч. ἴσος — «равный» и χώρος — «место») — термодинамический процесс, который происходит при постоянном объёме. Для осуществления изохорного процесса в газе или жидкости достаточно нагревать или охлаждать вещество в сосуде неизменного объёма.

При изохорическом процессе давление идеального газа прямо пропорционально его температуре (см. Закон Шарля). В реальных газах закон Шарля выполняется приближённо.

На графиках в координатах состояния ( P − V , P − T , V − T ) изображается линиями, которые называются изохоры. Для идеального газа они являются прямыми во всех диаграммах, которые связывают параметры: T (температура), V (объем) и P (давление).

История

Наиболее часто первые исследования изохорного процесса связывают с Гийомом Амонтоном. В своей работе «Парижские мемуары» в 1702 году он описал поведение газа в фиксированном объёме внутри так называемого «воздушного термометра». Жидкость в нём находится в равновесии под воздействием давления газа в резервуаре и атмосферным давлением. При нагревании давление в резервуаре увеличивается, и жидкость вытесняется в выступающую трубку. Зависимость между температурой и давлением была установлена в виде:

В 1801 году Джон Дальтон в двух своих эссе опубликовал эксперимент, в котором установил, что все газы и пары, исследованные им при постоянном давлении, одинаково расширяются при изменении температуры, если начальная и конечная температура одинакова. Данный закон получил название закона Гей-Люссака, так как Гей-Люссак вскоре провёл самостоятельные эксперименты и подтвердил одинаковое расширение различных газов, причём получив практически тот же самый коэффициент, что и Дальтон. Впоследствии он же объединил свой закон с законом Бойля — Мариотта, что позволило описывать в том числе и изохорный процесс.

Термодинамика процесса

Из определения работы следует, что элементарная работа при термодинамическом процессе равна:

Чтобы определить полную работу процесса проинтегрируем данное выражение:

но, поскольку объём неизменен, то есть Δ V = 0 , то такой интеграл равен нулю. Поэтому при изохорном процессе газ работы не совершает:

Это же можно показать на графике изохорного процесса. С математической точки зрения, работа процесса равна площади такого графика. Но график изохорного процесса является прямой перпендикулярной к оси объёма. Таким образом, площадь под ним равна нулю.

Изменение внутренней энергии идеального газа можно найти по формуле:

Δ U = i 2 ν R Δ T , <2>> u RDelta T,> где i — число степеней свободы, которое зависит от количества атомов в молекуле газа (3 — для одноатомной (например, неон), 5 — для двухатомной (например, кислород) и 6 — для трёхатомной и более (например, молекула водяного пара)).

Из определения и формулы теплоёмкости формулу для внутренней энергии можно переписать в виде:

Δ U = ν c v μ Δ T , ^ Delta T,> где c v μ ^> — молярная теплоёмкость при постоянном объёме.

Используя первое начало термодинамики можно найти количество теплоты при термодинамическом процессе:

Но при изохорном процессе газ не выполняет работу. То есть, имеет место равенство:

таким образом, вся теплота, которую получает газ, идёт на изменение его внутренней энергии.

Энтропия при изохорном процессе

Поскольку в системе при изохорном процессе происходит теплообмен с внешней средой, то происходит изменение энтропии. Из определения энтропии следует:

d S = δ Q T , ,> где δ Q < extstyle delta Q>— элементарное количество теплоты.

Выше была выведена формула для определения количества теплоты. Если её переписать в дифференциальном виде:

δ Q = ν c v μ d T , < extstyle delta Q= u c_^ dT,> где ν — количество вещества, c v μ < extstyle c_^> — молярная теплоемкость при постоянном объёме.

Микроскопическое изменение энтропии при изохорном процессе можно определить по формуле:

d S = ν c v μ d T T d y / d x d y / d x . < extstyle dS=< u c_^ dT over T>dy/dx dy/dx.>

Или, если проинтегрировать последнее выражение, полное изменение энтропии в этом процессе:

∫ S 1 S 2 d S = ν ∫ T 1 T 2 c v μ d T T ⇒ Δ S = ν ∫ T 1 T 2 c v μ d T T . < extstyle int limits _>^>dS= u int limits _>^>^ dT over T>Rightarrow Delta S= u int limits _>^>^ dT over T>.>

В данном случае выносить выражение молярной теплоемкости при постоянном объёме за знак интеграла нельзя, поскольку она является функцией, которая зависит от температуры.

Практическое применение теории изохорного процесса

При идеальном цикле Отто, который приближённо воспроизведён в бензиновом двигателе внутреннего сгорания, такты 2—3 и 4—1 являются изохорными процессами.

Работа, совершаемая на выходе двигателя, равна разности работ, которую произведёт газ над поршнем во время третьего такта (то есть рабочего хода), и работы, которую затрачивает поршень на сжатие газа во время второго такта. Так как в двигателе, работающем по циклу Отто используется система принудительного зажигания смеси, то происходит сжатие газа в 7—12 раз.

Анимация классического двигателя Стирлинга с конфигурацией бета-типа, при которой рабочий и вытеснительный поршни скомпонованы в одном цилиндре

В цикле Стирлинга также присутствуют два изохорных такта. Для его осуществления в двигателе Стирлинга добавлен регенератор. Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло от рабочего тела к регенератору, а при движении в другую сторону отдаёт его обратно рабочему тему. Идеальный цикл Стирлинга достигает обратимости и тех же величин КПД что и цикл Карно.

Источник

Закон Шарля. Изохора

В 1787 году Ж. Шарль экспериментально установил, что при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально температуре.

Закон Шарля При неизменном объеме V отношение давления p данной массы газа m к его абсолютной температуре T есть величина постоянная.

Термодинамический процесс, во время которого объем остается неизменным, называется изохорным (от греческих слов isos — равный и chora — занимаемое место), а линия, которая его изображает — изохорой

Математически закон Ж. Шарля можно записать в виде:

\( \dfrac

= const \) если \( m = const, V = const \)

Закон Шарля может быть записан в виде:

\[ p = \dfracT = p_0 \alpha_p T \]

где p₀ – давление газа при T = T₀ = 273,15 К (то есть при температуре 0 °С). Коэффициент, равный 1/273,15 К–1 , называют температурным коэффициентом давления

Для сравнения того же вещества при двух различных условиях, закон можно записать в виде:

\( \dfrac = \dfrac \) или \( P_1 \cdot T_2 = P_2 \cdot T_1 \)

Закон Шарля справедлив только для идеального газа. Он применим с определенной степенью точности к реальным газам при низких давлениях и невысоких температурах (например, атмосферный воздух, продукты сгорания в газовых двигателях и пр.)

Согласно закону Шарля изохорные процессы происходят так, что между давлением и температурой идеального газа существует линейная зависимость — при повышении температуры данной массы газа его давление возрастает.

Закон Шарля выводится как частный случай из уравнения Менделеева–Клапейрона:

\( p\cdot V = v\cdot R\cdot T \)

где R – универсальная газовая постоянная ( R = 8,31441 Дж/моль∙К ), ν – число молей вещества, P – давление газа, V – объем газа, T – температура газа.

Он может быть получен как следствие основного уравнения молекулярно-кинетической теории идеального газа:

Источник

Изопроцессы в газах. Закон Шарля.

Давление р данной массы газа при постоянном объеме пропорционально температуре.

Закон Шарля был открыт французским физиком Ж. Шарлем в 1787 году.

Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называется изохорным (от греч. hora — пространство).

Закон Шарля, как и другие газовые законы, является следствием уравнения состояния идеального газа:

Согласно (р = const Т при V = const), давление газа линейно зависит от температуры при постоянном объеме. Эта зависимость изображается прямой, которая называется изохорой.

С ростом объема газа при постоянной температуре давление его, согласно закону Бойля-Мариотта, падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объему, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объему.

В соответствии с (р = const Т при V = const), все изохоры начинаются в точке Т = 0 (давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю).

Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объема.

Источник

Изопроцессы в газах.

Изопроцессами называются процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров: давления (p), объема (V), температуры (T).

Изопроцессами в газах являются термодинамические процессы, на протяжении течения которых количество вещества и давление, объём, температура либо энтропия не поддаются изменениям. Таким образом, при изобарном процессе не изменяется давление, при изохорном — объём, при изотермическом — температура, при изоэнтропийном — энтропия (к примеру, обратимый адиабатический процесс). И линии, которые отображают перечисленные процессы на некой термодинамической диаграмме, называют, соответственно, изобара, изохора, изотерма и адиабата. Все эти изопроцессы являются частными случаями политропного процесса.

В идеальном газе эти процессы подчиняются газовым законам.

Газовыми законами называются количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего параметра.

Изобарный процесс.

Изобарный (или изобарический) процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения давления (P = const). Изобарой называют линию, которая отображает изобарический процесс на графике. Этот процесс описывает закон Гей-Люссака.

Изохорный процесс.

Изохорный (или изохорический) процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения объема (V = const). Изохорой называют линию, которая отображает изохорический процесс на графике. Этот процесс описывает закон Шарля.

Изотермический процесс.

Изотермический процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения температуры (T = const). Изотермой называют линию, которая отображает изотермический процесс на графике. Этот процесс описывает закон Бойля-Мариотта.

Изоэнтропийный процесс.

Изоэнтропийный процесс — это изменение термодинамической системы с условием не изменения энтропии (S = const). Изоэнтропийным является, например, обратимый адиабатический процесс: в таком процессе не происходит теплообмена с окружающей средой. Идеальный газ в таком процессе описывается следующим уравнением:

где γ — показатель адиабаты, определяемый типом газа.

Источник