Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Сиротюк

§ 38. Газові закони для ізопроцесів

За допомогою рівняння стану ідеального газу можна дослідити процеси, у яких маса й один з трьох параметрів р, V або Т залишаються незмінними.

Кількісні залежності між двома параметрами газу за фіксованого значення третього параметра називають газовими законами.

Процеси, що відбуваються за незмінного значення одного з параметрів, називають ізопроцесами.

Ізопроцеси дуже поширені у природі, і їх часто застосовують у техніці.

Процес зміни стану термодинамічної системи за сталої температури називають ізотермічним (від грец. isos - «рівний», termos - «гарячий»).

Щоб підтримувати сталу температуру газу, потрібно, щоб він міг обмінюватися теплотою з великою системою - термостатом. Термостатом може бути атмосферне повітря, якщо температура його помітно не змінюється протягом процесу.

pV = const при Т = const і m = const.

Для даної маси газу добуток тиску газу і його об’єму сталий, якщо температура газу не змінюється.

Цей закон установив експериментально англійський фізик і хімік Роберт Бойль (1627-1691), а трохи пізніше - французький учений Едм Маріотт (1620-1684). Тому його називають законом Бойля-Маріотта.

Закон Бойля-Маріотта справджується для будь-яких газів, а також для суміші газів (наприклад, для повітря). Тільки коли тиск у кілька тисяч разів більший за атмосферний, відхилення від цього закону стає істотним.

Залежність тиску газу від об’єму за сталої температури зображають графічно кривою - ізотермою (мал. 98). Ізотерма газу виражає обернену пропорційну залежність між тиском і об’ємом. Таку криву в математиці називають гіперболою.

Мал. 98. Графік ізотермічного процесу

Процес зміни стану термодинамічної системи за сталого тиску називають ізобарним (від грец. isos - «рівний», baros - «вага»).

Для даної маси газу відношення об’єму до температури стале, якщо тиск газу не змінюється.

Цю залежність графічно зображають прямою - ізобарою (мал. 99).

Мал. 99. Графік ізобарного процесу

Різним тискам відповідають різні ізобари. Зі збільшенням тиску об’єм газу за сталої температури зменшується за законом Бойля-Маріотта. Тому ізобара, що відповідає вищому тиску р₂, лежить нижче від ізобари, що відповідає нижчому тиску р₁.

Процес зміни стану термодинамічної системи за сталого об’єму називають ізохорним (від грец. isos - «рівний», chora - «місткість»).

Для даної маси газу відношення тиску до температури стале, якщо об’єм газу не змінюється.

Цю залежність зображають графічно прямою - ізохорою (мал. 100). Різним об’ємам відповідають різні ізохори. Зі збільшенням об’єму газу за сталої температури тиск його відповідно до закону Бойля-Маріотта зменшується. Тому ізохора, що відповідає більшому об’єму V₂, лежить нижче від ізохори, що відповідає меншому об’єму V₁.

Мал. 100. Графік ізохорного процесу

За рівнянням р = constT усі ізохори починаються в точці Т = 0. Отже, тиск ідеального газу за абсолютного нуля дорівнює нулю.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Які закони називаються газовими?
• 2. Як пов’язані тиск і об’єм газу при ізотермічному процесі?
• 3. У чому полягає суть закону Гей-Люссака?
• 4. Сформулюйте закон Шарля.
• 5. Дайте якісне пояснення газових законів на основі молекулярно-кінетичної теорії газів.