Изопроцессами называют термодинамические процессы, протекающие в системе с неизменной массой при постоянном значении одного из параметров состояния системы.
1 ˚ Изотермический процесс.
Т = const, ΔT = 0
Р.Бойль (англ.), Э. Мариотт (фр.), ХХVII в.
Закон Бойля-Мариотта.
Произведение pV = const для данного количества газа при постоянной температуре.
Объяснение закона Бойля-Мариотта с точки зрения МКТ.
Давление - это обобщенная, усредненная действие молекул (атомов, частиц) на стены. При уменьшении объема в несколько раз во столько же раз увеличивается число молекул в единице объема (концентрация), а значит и число ударов молекул в стенки за единицу времени. Последнее ведет к росту давления.
Схема эксперимента
2 ˚ Изохорный процесс.
V = const, ΔV = 0
Ж. Шарль (фр.), 1787 год.
Закон Шарля.
Давление определенной массы газа при нагревании на 1 ˚ С при постоянном объеме увеличивается на 1/273 часть его давления при 0 ˚ С.
р = р0 (1 + αt)
где α = (p - p0) / p0t = 1/273 (K-1) - температурный коэффициент давления.
Tt = T - 273, р = р0 (1 + αt) = р0 + р0 α (T - 273) = p0αT.
Поэтому р = p0αT или р / Т = const при неизменной массе идеального газа.
Объяснение закона Шарля на основе МКТ.
Согласно основным положениям МКТ при росте температуры идеального газа растет средняя скорость движения молекул (атомов, частиц), а потому возрастает частота соприкосновения со стенками сосуда. Это вызывает рост давления молекул на стенки.
Схема эксперимента
3 ˚ Изобарный процесс.
р = const, ДР = 0
Ж. Гей-Люссак (фр.), 1802 год.
Закон Гей-Люссака.
Увеличение температуры газа на 1 ˚ С при постоянном давлении увеличивает его объем на 1/273 часть того объема, который занимает газ при 0 ˚ С.
V = V0 (1 + βt)
где β = (V - V0) / V0t - температурный коэффициент объемного расширения газа.
Учитывая, что t = T - 273, закон Гей-Люссака можно представить в следующем виде:
V = V0βt, V / T = const, при неизменной массе идеального газа.
Объяснение закона Гей-Люссака на основе МКТ.
Согласно основным положениям МКТ при росте температуры идеального газа растет средняя скорость движения молекул (атомов, частиц), а потому растет среднее расстояние между молекулами, и вызывает рост объема, который занимает идеальный газ.
Схема эксперимента
Объединенный газовый закон.
Законы Бойля-Мариотта, Шарля и Гей-Люссака, установленные экспериментально, объединяются в одну формулу, которую называют объединенным газовым законом.
Для данной массы идеального газа (m = const) в ходе произвольного равновесного термодинамического процесса величина pV / T остается постоянной:
pV / T = const
Если в ходе данного процесса масса газа меняется, то объединенный газовый закон приобретает следующий вид:
pV / (mT) = const
Уравнение состояния.
Уравнением состояния идеального газа называют соотношение, которое связывает между собой параметры идеального газа в равновесном состоянии: f (p, V, T, m) = 0.
Экспериментально установлено уравнение
pV = (m / μ) RT
называют уравнением состояния или уравнением Клапейрона-Менделеева.
В последнем уравнении R = 8,31 Дж / (моль • К) называют универсальной газовой постоянной, а число ν = m / μ указывает на количество молей вещества, для которых записано уравнение состояния и коре находятся в состоянии термодинамического равновесия.