Гази, з точки зору термодинаміки, описуються набором макроскопічних характеристик, головними з яких є температура, тиск і об'єм. Сталість одного з названих параметрів і зміна двох інших, свідчить про те, що в газі протікає той чи інший изопроцесс. Цю статтю присвячено докладному відповіді на питання, що це - ізохорний процес, чим він відрізняється від ізотермічного і изобарного зміни станів газової системи.

Ідеальний газ " у фізиці

Перш ніж відповідати на питання, що це - ізохорний процес, варто познайомитися ближче з поняттям ідеального газу. У фізиці під ним розуміють будь-газ, у якого середня кінетична енергія складових його частинок набагато перевищує потенційну енергію їх взаємодії, та відстані між цими частинками на кілька порядків більше їх лінійних розмірів. При зазначених умовах можна при проведенні розрахунків не враховувати енергію взаємодії між частинками (вона дорівнює нулю), а також можна вважати, що частинки є матеріальними точками, що мають деяку масу m.


Єдиним процесом, який має місце в ідеальному газі, є зіткнення частинок зі стінками посудини, в якій знаходиться субстанція. Ці зіткнення на практиці проявляються у вигляді існування в газі деякого тиску P. Як правило, будь-яка газова субстанція, яка складається з відносно хімічно інертних молекул і яка має невеликий тиск і високі температури, може вважатися ідеальним газом з достатньою для проведення практичних розрахунків точністю.

Описує ідеальний газ рівняння

Звичайно ж, мова йде про універсальний закон Клапейрона-Менделєєва, з яким слід добре розібратися, щоб зрозуміти, що це - ізохорний процес. Отже, універсальне рівняння стану має наступну форму:


P * V = n * R * T. Тобто добуток тиску P на об'єм газу V дорівнює добутку абсолютної температури T на кількість речовини в молях n, де величина R є коефіцієнтом пропорційності. Саме рівняння було записано вперше Емілем Клапейроном в 1834 році, а в 70-ті роки XIX століття Д. Менделєєв замінив в ньому набір постійних величин однієї єдиної універсальної газової сталої R (8314 Дж/(моль*К)). У відповідності з рівнянням Клапейрона-Менделєєва, в закритій системі кількість частинок газу залишається постійним, тому існує всього три макроскопічних параметрів, які можуть бути змінені (T, P, V). Останній факт лежить в основі розуміння різних изопроцессов, які будуть розглянуті нижче.

Що це - ізохорний процес?

Під цим процесом розуміють абсолютно будь-яка зміна стану системи, при якому її обсяг зберігається. Якщо звернутися до універсального рівняння стану, то можна сказати, що при изохорном процесі в газі змінюються тільки тиск і абсолютна температура. Щоб зрозуміти, як саме відбувається зміна термодинамічних параметрів, запишемо відповідне математичне вираз: P /T = const. Іноді це рівність приводять в дещо іншій формі: P 1 /T 1 = P 2 /T 2 . Обидва рівності називаються законом Шарля за прізвищем французького вченого, який в кінці XVIII століття отримав зазначену залежність експериментальним шляхом. Якщо побудувати графік функції P(T), то ми отримаємо прямолінійну залежність, яка називається изохорой. Будь-яка изохора (для всіх значень n і V) є прямою лінією.

Енергетичне опис процесу

Як було зазначено, ізохорний процес - це зміна стану системи, яке проходить в закритому, але не ізольованій системі. Мова йде про можливості обміну теплом між газом і навколишнім середовищем. У загальному випадку будь-підведення теплоти Q до системи приводить до двох результатів:

змінюється внутрішня енергія U;

газ здійснює роботу A, розширяючись або стискаючись.

Останнє міркування математично записується наступним чином: Q = U + A. Ізохорний процес ідеального газу за своїм визначенням не передбачає вчинення газом роботи, так як його об'єм залишається незмінним. Це означає, що все підводиться до системи тепло йде на збільшення його внутрішньої енергії: Q = U. Якщо підставити в це вираз явну формулу для внутрішньої енергії, то теплоту ізохорний процесу можна представити у вигляді: Q = z /2 * n * R * T. Тут z - число ступенів свободи, яке визначається многоатомностью складових газ молекул. Для одноатомного газу z = 3 для двоатомних - 5 а для трехатомного і більше - 6. Тут під ступенями свободи маються на увазі поступальні і обертальні ступені. Якщо порівнювати ефективність нагріву газової системи при изохорном і изобарном процесах, то в першому випадку ми отримаємо максимальний ККД, оскільки під час изобарного зміни стану системи газ розширюється, і частина підведеного тепла витрачається на виконання роботи.

Ізобарний процес

Вище ми докладно описали, що це - ізохорний процес. Тепер скажемо кілька слів про інших изопроцессах. Почнемо з изобарного. Виходячи з назви, під ним розуміють перехід між станами системи при постійному тиску. Цей процес описується законом Гей-Люссака в наступному вигляді: V /T = const. Як і у випадку изохоры, изобар V(T) також представляє пряму лінію на графіку. Для будь-якого изобарного процесу зручно розраховувати чинену газом роботу, так як вона дорівнює добутку постійного тиску на величину зміни обсягу.

Ізотермічний процес

Це процес, при якому температура системи залишається постійною. Описується він законом Бойля-Маріотта для ідеального газу. Цікаво відзначити, що це перший відкритий експериментально газовий закон (друга половина XVII століття). Його математична запис виглядає так: P * V = const. Ізохорний і ізотермічний процеси відрізняються в плані їх графічного представлення, оскільки функція P(V) являє собою гіперболічної, а не лінійну залежність.

Приклад розв'язання задачі

Закріпимо надані у статті теоретичні відомості їх застосуванням для вирішення практичної проблеми. Відомо, що чистий газоподібний азот перебував у балоні при тиску 1 атмосфера і температурі 25 °C. Після того, як балон з газом нагріли і виміряли тиск у ньому, воно виявилося рівним 15 атмосфери. Чому дорівнює температура газу в балоні після нагрівання? На яку величину змінилась внутрішня енергія газу, якщо в балоні знаходилося 4 моль азоту. Для відповіді на перше питання скористаємося наступним виразом: P 1 /T 1 = P 2 /T 2 . Звідки отримуємо: T 2 = P 2 /P 1 * T 1 . У цьому виразі тиску можна підставляти в довільних одиницях виміру, так як вони скорочуються, а температуру тільки в кельвінах. З урахуванням сказаного отримуємо: T 2 = 15 /1 * 29815 = 447224 К. Розрахована температура в градусах Цельсія дорівнює 174 °C. Оскільки молекула азоту є двохатомної, то зміна внутрішньої енергії при нагріванні можна визначити так: ?U = 5 /2 * n * R * T. Підставляючи відомі величини в цей вираз, ми отримаємо відповідь на друге питання завдання: ?U = +124 кДж.