Plyn - Gas

Unášené částice kouře naznačují pohyb okolního plynu.

Plyn je jedním ze čtyř základních stavů hmoty (ostatní jsou pevné , kapalné a plazmatické ).

Čistý plyn může být tvořen jednotlivými atomy (např. Vzácný plyn, jako je neon ), elementárními molekulami vyrobenými z jednoho typu atomu (např. Kyslíkem ) nebo molekulami sloučenin vyrobenými z různých atomů (např. Oxid uhličitý ). Směs plynů , jako je vzduch , obsahuje řadu čistých plynů. Co odlišuje plyn od kapalin a pevných látek, je rozsáhlá separace jednotlivých plynných částic . Toto oddělení obvykle činí lidského pozorovatele neviditelným bezbarvým plynem.

Plynný stav hmoty nastává mezi kapalným a plazmatickým stavem, přičemž ten druhý poskytuje horní teplotní hranici pro plyny. Na dolním konci teplotní stupnice leží degenerativní kvantové plyny, které získávají stále větší pozornost. Atomové plyny s vysokou hustotou, superchlazené na velmi nízké teploty, jsou podle statistického chování klasifikovány jako plyny Bose nebo Fermi . Úplný seznam těchto exotických stavů hmoty naleznete v seznamu stavů hmoty .

Elementární plyny

Jedinými chemickými prvky, které jsou stabilními diatomickými homonukleárními molekulami na STP, jsou vodík (H 2 ), dusík (N 2 ), kyslík (O 2 ) a dva halogeny : fluor (F 2 ) a chlor (Cl 2 ). Když jsou seskupeny společně s monatomickými vzácnými plyny - heliem (He), neonem (Ne), argonem (Ar), kryptonem (Kr), xenonem (Xe) a radonem (Rn) - těmto plynům se říká „elementární plyny“.

Etymologie

Slovo plyn poprvé použil vlámský chemik z počátku 17. století Jan Baptist van Helmont . Identifikoval oxid uhličitý , první známý plyn jiný než vzduch. Zdá se, že Van Helmontovo slovo bylo jednoduše fonetickým přepisem starořeckého slova χάος Chaos - g v holandštině se vyslovuje jako ch v „jezeře“ (neznělý velar fricative, / x / ) - v takovém případě Van Helmont jednoduše následoval zavedené alchymistické použití poprvé doloženo v Paracelsově díle . Podle Paracelsovy terminologie znamenal chaos něco jako „ultra-vzácná voda“.

Alternativní příběh je, že Van Helmontův termín byl odvozen z „ gahst (nebo geist ), což znamená duch nebo duch“. Redaktorům Oxfordského anglického slovníku tento příběh nevěří . Naproti tomu francouzsko-americký historik Jacques Barzun spekuloval, že si Van Helmont vypůjčil slovo z německého Gäschtu , což znamená pěnu vzniklou kvašením .

Fyzikální vlastnosti

Protože většinu plynů je obtížné přímo pozorovat, jsou popsány pomocí čtyř fyzikálních vlastností nebo makroskopických charakteristik: tlaku , objemu , počtu částic (chemici je seskupují podle molů ) a teploty. Tyto čtyři charakteristiky opakovaně pozorovali vědci jako Robert Boyle , Jacques Charles , John Dalton , Joseph Gay-Lussac a Amedeo Avogadro pro různé plyny v různých prostředích. Jejich podrobné studie nakonec vedly k matematickému vztahu mezi těmito vlastnostmi vyjádřeného zákonem ideálního plynu (viz níže část zjednodušených modelů).

Částice plynu jsou od sebe široce odděleny, a proto mají slabší mezimolekulární vazby než kapaliny nebo pevné látky. Tyto mezimolekulární síly jsou výsledkem elektrostatických interakcí mezi částicemi plynu. Podobně nabité oblasti různých plynných částic se odpuzují, zatímco opačně nabité oblasti různých plynných částic se navzájem přitahují; plyny, které obsahují trvale nabité ionty, jsou známé jako plazmy . Plynné sloučeniny s polárními kovalentními vazbami obsahují trvalou nerovnováhu náboje, a proto zažívají relativně silné mezimolekulární síly, ačkoli molekula, zatímco čistý náboj sloučeniny zůstává neutrální. Přechodné, náhodně indukované náboje existují napříč nepolárními kovalentními vazbami molekul a elektrostatické interakce jimi způsobené se označují jako Van der Waalsovy síly . Interakce těchto mezimolekulárních sil se v rámci látky liší, což určuje mnoho fyzikálních vlastností, které jsou pro každý plyn jedinečné. K tomuto závěru nás vede srovnání bodů varu u sloučenin tvořených iontovými a kovalentními vazbami. Driftující částice kouře na obrázku poskytují určitý pohled na chování nízkotlakého plynu.

Ve srovnání s ostatními stavy hmoty mají plyny nízkou hustotu a viskozitu . Tlak a teplota ovlivňují částice v určitém objemu. Tato variace v separaci částic a rychlosti se označuje jako stlačitelnost . Tato separace částic a velikost ovlivňuje optické vlastnosti plynů, jak lze nalézt v následujícím seznamu indexů lomu . Nakonec se částice plynu rozprostřou nebo difundují, aby se homogenně distribuovaly v jakékoli nádobě.

Makroskopický pohled na plyny

Shuttle snímky fáze opětovného vstupu

Při pozorování plynu je typické zadat referenční rámec nebo měřítko délky . Větší délková stupnice odpovídá makroskopickému nebo globálnímu pohledu na plyn. Tato oblast (označovaná jako objem) musí mít dostatečnou velikost, aby obsahovala velké vzorky plynných částic. Výsledná statistická analýza této velikosti vzorku vytváří „průměrné“ chování (tj. Rychlost, teplotu nebo tlak) všech částic plynu v oblasti. Naproti tomu měřítko menší délky odpovídá mikroskopickému nebo částicovému úhlu pohledu.

Makroskopicky jsou měřené charakteristiky plynu buď z hlediska samotných částic plynu (rychlost, tlak nebo teplota), nebo z jejich okolí (objemu). Robert Boyle například studoval malou část své kariéry pneumatickou chemii . Jeden z jeho experimentů se týkal makroskopických vlastností tlaku a objemu plynu. Jeho experiment použil manometr J-tube, který vypadá jako zkumavka ve tvaru písmene J. Boyle zachytil inertní plyn v uzavřeném konci zkumavky se sloupcem rtuti , čímž se zvýšil počet částic a teplota konstantní. Pozoroval, že když se v plynu zvýšil tlak, přidáním další rtuti do kolony se objem zachyceného plynu snížil (toto je známé jako inverzní vztah). Kromě toho, když Boyle znásobil tlak a objem každého pozorování, byl produkt konstantní. Tento vztah platil pro každý plyn, který Boyle pozoroval vedoucí k zákonu (PV = k), pojmenovaný na počest jeho práce v této oblasti.

Pro analýzu vlastností plynu je k dispozici mnoho matematických nástrojů. Jak jsou plyny vystaveny extrémním podmínkám, tyto nástroje se stávají složitějšími, od Eulerových rovnic pro inviscidní tok až po Navier -Stokesovy rovnice, které plně zohledňují viskózní efekty. Tyto rovnice jsou přizpůsobeny podmínkám daného plynového systému. Boyleovo laboratorní vybavení umožnilo použití algebry k získání jeho analytických výsledků. Jeho výsledky byly možné, protože studoval plyny v relativně nízkých tlakových situacích, kde se chovaly „ideálním“ způsobem. Tyto ideální vztahy platí pro bezpečnostní výpočty pro různé letové podmínky na použitých materiálech. Špičkové technologie, které se dnes používají, byly navrženy tak, aby nám pomohly bezpečně prozkoumat exotičtější provozní prostředí, kde se plyny již nechovají „ideálním“ způsobem. Tato pokročilá matematika, včetně statistik a multivariabilního počtu , umožňuje řešení tak složitých dynamických situací, jako je návrat vesmírných vozidel. Příkladem je analýza znovuobjeveného raketoplánu, aby se zajistilo, že vlastnosti materiálu za těchto podmínek zatížení jsou vhodné. V tomto letovém režimu se plyn již nechová ideálně.

Tlak

Symbol používaný k vyjádření tlaku v rovnicích je „p“ nebo „P“ s jednotkami pascalu SI .

Při popisu nádoby s plynem se termínem tlak (nebo absolutní tlak) rozumí průměrná síla na jednotku plochy, kterou plyn působí na povrch nádoby. V tomto objemu je někdy snazší vizualizovat částice plynu pohybující se v přímkách, dokud nenarazí do nádoby (viz diagram v horní části článku). Síla přenášená částicí plynu do nádoby během této srážky je změnou hybnosti částice. Během srážky se mění pouze normální složka rychlosti. Částice cestující rovnoběžně se stěnou nemění svoji hybnost. Průměrná síla na povrchu proto musí být průměrnou změnou lineární hybnosti ze všech těchto srážek plynných částic.

Tlak je součet všech normálních složek síly vyvíjených částicemi dopadajícími na stěny nádoby děleno povrchovou plochou stěny.

Teplota

Vzduchový balón se po ponoření do kapalného dusíku zmenšuje

Symbol používaný k vyjádření teploty v rovnicích je T s jednotkami SI kelvinů .

Rychlost plynné částice je úměrná její absolutní teplotě . Objem balónu ve videu se zmenšuje, když zachycené částice plynu zpomalí přidáním extrémně studeného dusíku. Teplota jakéhokoli fyzického systému souvisí s pohyby částic (molekul a atomů), které tvoří [plynový] systém. Ve statistické mechanice je teplota měřítkem průměrné kinetické energie uložené v molekule (také známé jako tepelná energie). Metody ukládání této energie jsou dány stupni volnosti samotné molekuly ( energetické režimy ). Tepelná (kinetická) energie přidaná do plynu nebo kapaliny ( endotermický proces) vytváří translační, rotační a vibrační pohyb. Naproti tomu pevná látka může zvýšit svou vnitřní energii pouze vzrušujícími dalšími vibračními režimy, protože struktura krystalové mřížky brání jak translačnímu, tak rotačnímu pohybu. Tyto vyhřívané molekuly plynu mají větší rozsah otáček (širší rozložení rychlostí) s vyšší průměrnou nebo střední rychlostí. Rozptyl této distribuce je způsoben rychlostmi jednotlivých částic, které se neustále mění, v důsledku opakovaných kolizí s jinými částicemi. Rozsah otáček lze popsat distribucí Maxwell – Boltzmann . Použití této distribuce znamená ideální plyny blízko termodynamické rovnováhy pro uvažovaný systém částic.

Specifický objem

Symbol používaný k vyjádření konkrétního objemu v rovnicích je „v“ s jednotkami SI kubických metrů na kilogram.

Symbol používaný k vyjádření objemu v rovnicích je „V“ s jednotkami SI kubických metrů.

Při provádění termodynamické analýzy se obvykle hovoří o intenzivních a rozsáhlých vlastnostech . Vlastnosti, které závisí na množství plynu (buď hmotou nebo objemem), se nazývají rozsáhlé vlastnosti, zatímco vlastnosti, které nezávisí na množství plynu, se nazývají intenzivní vlastnosti. Specifický objem je příkladem intenzivní vlastnosti, protože je to poměr objemu obsazeného jednotkou hmotnosti plynu, který je v celém systému v rovnováze identický. 1 000 atomů plynu zaujímá stejný prostor jako všech ostatních 1 000 atomů pro danou teplotu a tlak. Tento koncept je snadněji vizualizovatelný pro pevné látky, jako je železo, které jsou ve srovnání s plyny nestlačitelné . Samotný objem --- není konkrétní --- je rozsáhlá vlastnost.

Hustota

Symbol používaný k vyjádření hustoty v rovnicích je ρ (rho) s jednotkami SI kilogramů na metr krychlový. Tento termín je převrácený na konkrétní objem.

Protože se molekuly plynu mohou volně pohybovat v kontejneru, je jejich hmotnost obvykle charakterizována hustotou. Hustota je množství hmoty na jednotku objemu látky nebo inverze ke konkrétnímu objemu. U plynů se hustota může měnit v širokém rozsahu, protože částice se mohou pohybovat blíže k sobě, když jsou omezeny tlakem nebo objemem. Tato variace hustoty se označuje jako stlačitelnost . Stejně jako tlak a teplota je hustota stavovou proměnnou plynu a změna hustoty během jakéhokoli procesu se řídí zákony termodynamiky. U statického plynu je hustota stejná v celém kontejneru. Hustota je tedy skalární veličina . Kinetickou teorií lze ukázat, že hustota je nepřímo úměrná velikosti nádoby, ve které je omezena pevná hmotnost plynu. V tomto případě pevné hmoty hustota klesá se zvyšujícím se objemem.

Mikroskopický pohled na plyny

Částice plynné fáze ( atomy , molekuly nebo ionty ) se volně pohybují v nepřítomnosti aplikovaného elektrického pole .

Pokud by někdo mohl pozorovat plyn pod silným mikroskopem, viděl by sbírku částic bez určitého tvaru nebo objemu, které jsou ve víceméně náhodném pohybu. Tyto částice plynu mění směr pouze tehdy, když narazí do jiné částice nebo do stran nádoby. Tento mikroskopický pohled na plyn je dobře popsán statistickou mechanikou , ale lze jej popsat mnoha různými teoriemi. Kinetická teorie plynů , který vychází z předpokladu, že tyto kolize jsou dokonale elastické , nebere v úvahu mezimolekulárních sil přitahování a odpuzování.

Kinetická teorie plynů

Kinetická teorie poskytuje vhled do makroskopických vlastností plynů s ohledem na jejich molekulární složení a pohyb. Počínaje definicemi hybnosti a kinetické energie lze použít zachování hybnosti a geometrických vztahů krychle k propojení vlastností teploty a tlaku v makroskopickém systému s mikroskopickými vlastnostmi kinetické energie na molekulu. Teorie poskytuje průměrné hodnoty pro tyto dvě vlastnosti.

Kinetická teorie plynů mohou vysvětlit, jak systém (kolekce plynových částic, které jsou považovány za) reaguje na změny teploty, s odpovídající změnou kinetické energie .

Například: Představte si, že máte uzavřenou nádobu pevné velikosti ( konstantní objem) obsahující pevný počet plynných částic; počínaje absolutní nulou (teoretická teplota, při které atomy nebo molekuly nemají žádnou tepelnou energii, tj. nepohybují se ani vibrují), začnete přidávat energii do systému zahříváním nádoby, aby se energie přenášela na částice uvnitř. Jakmile je jejich vnitřní energie nad energií nulového bodu , což znamená, že jejich kinetická energie (také známá jako tepelná energie ) je nenulová, částice plynu se začnou pohybovat kolem nádoby. Jak se box dále zahřívá (jak se přidává více energie), jednotlivé částice zvyšují svou průměrnou rychlost, jak se zvyšuje celková vnitřní energie systému. Vyšší průměrná rychlost všech částic vede k vyšší rychlosti, s jakou dochází ke kolizím (tj. K většímu počtu srážek za jednotku času), mezi částicemi a nádobou, jakož i mezi částicemi samotnými.

Makro scopic, měřitelné množství tlaku, je přímým důsledkem těchto mikro scopic částic kolize s povrchem, přes které jsou jednotlivé molekuly projevují malou sílu, z nichž každá přispívá k celkové síly, působící v konkrétní oblasti. ( Přečtěte si „ Tlak “ ve výše uvedené části „ Makroskopický pohled na plyny “.)

Podobně je makroskopicky měřitelná veličina teploty kvantifikací celkového množství pohybu neboli kinetické energie , kterou částice vykazují. ( Přečtěte si „ Teplota “ ve výše uvedené části „ Makroskopický pohled na plyny “.)

Tepelný pohyb a statistická mechanika

V kinetické teorie plynů , kinetická energie se předpokládá, že pouze se skládá z lineárních překladů podle rozdělení rychlosti z částic v systému. Ve skutečných plynech a jiných skutečných látkách jsou však pohyby, které definují kinetickou energii systému (které společně určují teplotu), mnohem složitější než jednoduchý lineární překlad kvůli složitější struktuře molekul ve srovnání s jednotlivými atomy, které působí podobně jako bodové masy . Ve skutečných termodynamických systémech hrají kvantové jevy velkou roli při určování tepelných pohybů. Náhodné tepelné pohyby (kinetická energie) v molekulách jsou kombinací konečného souboru možných pohybů včetně translace, rotace a vibrací . Tento konečný rozsah možných pohybů spolu s konečnou sadou molekul v systému vede ke konečnému počtu mikrostavů v systému; množině všech mikrostavů říkáme soubor . Specifické pro atomové nebo molekulární systémy, potenciálně bychom mohli mít tři různé druhy souborů, v závislosti na situaci: mikrokanonický soubor , kanonický soubor nebo velký kanonický soubor . Specifické kombinace mikrostavů v souboru jsou to, jak skutečně definujeme makrostát systému (teplota, tlak, energie atd.). Abychom to mohli udělat, musíme nejprve spočítat všechny mikrostáty pomocí funkce oddílu . Použití statistické mechaniky a funkce rozdělení je důležitým nástrojem v celé fyzikální chemii, protože je klíčem ke spojení mezi mikroskopickými stavy systému a makroskopickými proměnnými, které můžeme měřit, jako je teplota, tlak, tepelná kapacita , vnitřní energie, entalpie a entropie, abychom jmenovali alespoň některé. ( Přečtěte si : Rozdělovací funkce Význam a význam )

Pomocí funkce rozdělení k nalezení energie molekuly nebo systému molekul lze někdy aproximovat pomocí věty o ekvipartiční větě , která výrazně zjednodušuje výpočet. Tato metoda však předpokládá, že všechny molekulární stupně volnosti jsou stejně obydlené, a tedy stejně využívané pro ukládání energie v molekule. Znamenalo by to, že vnitřní energie se mění lineárně s teplotou, což není tento případ. To ignoruje skutečnost, že se tepelná kapacita mění s teplotou, kvůli určitým stupňům volnosti, které jsou při nižších teplotách nedosažitelné (aka „zamrzlé“). Jak se zvyšuje vnitřní energie molekul, roste i schopnost ukládat energii v dalších stupních volnosti. Jak je k dispozici více stupňů volnosti k uchování energie, způsobí to zvýšení molární tepelné kapacity látky.

Náhodný pohyb plynných částic má za následek difúzi .

Brownův pohyb

Brownův pohyb je matematický model používaný k popisu náhodného pohybu částic suspendovaných v tekutině. Animace plynných částic pomocí růžových a zelených částic ukazuje, jak toto chování vede k šíření plynů ( entropie ). Tyto události jsou také popsány teorií částic .

Protože je na hranici (nebo za) současné technologie pozorovat jednotlivé částice plynu (atomy nebo molekuly), pouze teoretické výpočty dávají návrhy, jak se pohybují, ale jejich pohyb se liší od Brownova pohybu, protože Brownův pohyb zahrnuje plynulé tažení na třecí sílu mnoha molekul plynu, přerušovanou násilnými srážkami jednotlivé (nebo několika) molekul (y) plynu s částicí. Částice (obvykle sestávající z milionů nebo miliard atomů) se tedy pohybuje zubatým průběhem, přesto není tak zubatá, jak by se očekávalo, kdyby byla zkoumána jednotlivá molekula plynu.

Intermolekulární síly - primární rozdíl mezi reálnými a ideálními plyny

Síly mezi dvěma nebo více molekulami nebo atomy, atraktivní nebo odpudivé, se nazývají intermolekulární síly . Mezimolekulární síly zažívají molekuly, když jsou ve vzájemné fyzické blízkosti. Tyto síly jsou velmi důležité pro správné modelování molekulárních systémů, protože přesně předpovídají mikroskopické chování molekul v jakémkoli systému, a proto jsou nezbytné pro přesné předpovídání fyzikálních vlastností plynů (a kapalin) v širokých variacích fyzikálních podmínek.

Vyplývající ze studia fyzikální chemie , jeden z nejvýznamnějších mezimolekulárních sil v celé fyziky, jsou van der Waalsovy síly . Van der Waalsovy síly hrají klíčovou roli při určování téměř všech fyzikálních vlastností tekutin, jako je viskozita , průtok a dynamika plynu (viz část o fyzikálních charakteristikách). Van der Waalsovy interakce mezi molekulami plynu jsou důvodem, proč je modelování „skutečného plynu“ matematicky obtížnější než „ ideálního plynu“. Ignorování těchto sil závislých na blízkosti umožňuje zacházet se skutečným plynem jako s ideálním plynem , což značně zjednodušuje výpočet.

Izotermické křivky znázorňující neideálnost skutečného plynu. Změny objemu (znázorněné Z, faktor stlačitelnosti ), ke kterým dochází při změně tlaku. Faktor stlačitelnosti Z je roven poměru Z = PV/nRT. Ideální plyn s faktorem stlačitelnosti Z = 1 je popsán vodorovnou čarou, kde je osa y rovna 1. Neideálnost lze popsat jako odchylku plynu nad nebo pod Z = 1.

Intermolekulární přitažlivosti a odpuzování mezi dvěma molekulami plynu závisí na vzdálenosti mezi nimi. Kombinované přitažlivosti a odpudivosti jsou dobře modelovány Lennardovým-Jonesovým potenciálem , který je jedním z nejrozsáhleji studovaných ze všech interatomických potenciálů popisujících potenciální energii molekulárních systémů. Lennard-Jonesův potenciál mezi molekulami lze rozložit na dvě samostatné složky: přitažlivost na dlouhé vzdálenosti díky londýnské disperzní síle a odpuzování na krátkou vzdálenost v důsledku interakce elektron-elektronová výměna (což souvisí s Pauliho vylučovacím principem ).

Když jsou dvě molekuly relativně vzdálené (což znamená, že mají vysokou potenciální energii), zažívají slabou přitahovací sílu, což způsobí, že se pohybují směrem k sobě, což snižuje jejich potenciální energii. Pokud jsou však molekuly příliš daleko , pak by nezažily přitažlivou sílu jakéhokoli významu. Navíc, pokud se molekuly dostanou příliš blízko, pak se srazí a zažijí velmi vysokou odpudivou sílu (modelovanou tvrdými sférami ), která je mnohem silnější než přitažlivost, takže jakákoli přitažlivost kvůli blízkosti není ignorována.

Jak se dvě molekuly přibližují k sobě, ze vzdálenosti, která není ani příliš vzdálená, ani příliš blízko, jejich přitažlivost se zvyšuje, jak velikost jejich potenciální energie roste (stává se více negativní), a snižuje jejich celkovou vnitřní energii. Přitažlivost způsobí, že molekuly se dostat blíž, může dojít pouze v případě, že molekuly zůstanou v blízkosti po dobu trvání času, který je potřebný k fyzicky posunout blíž. Atraktivní síly jsou proto nejsilnější, když se molekuly pohybují nízkou rychlostí . To znamená, že přitažlivost mezi molekulami je významná, když jsou teploty plynu nízké . Pokud byste však tento chladný plyn měli izotermicky stlačit do malého objemu, přinutit molekuly do těsné blízkosti a zvýšit tlak, začnou nad atrakcemi dominovat odpuzování, protože rychlost, s jakou dochází ke kolizím, se výrazně zvýší. Proto je při nízkých teplotách a nízkých tlacích přitažlivost dominantní mezimolekulární interakcí.

Pokud se dvě molekuly pohybují vysokou rychlostí, v libovolných směrech, po neprotínajících se cestách, pak nebudou trávit dost času v blízkosti, aby na ně působila atraktivní londýnská disperzní síla. Pokud se tyto dvě molekuly srazí, pohybují se příliš rychle a jejich kinetická energie bude mnohem větší než jakákoli atraktivní potenciální energie, takže po srážce zažijí odpuzování. Atrakce mezi molekulami lze tedy při vysokých teplotách kvůli vysokým rychlostem zanedbávat . Při vysokých teplotách a vysokých tlacích je odpuzování dominantní mezimolekulární interakcí.

Účtování výše uvedených účinků, které způsobují tyto přitažlivosti a odpuzování, skutečné plyny , se od modelu ideálního plynu vymezují následujícím zobecněním:

  • Při nízkých teplotách a nízkých tlacích je objem obsazený skutečným plynem menší než objem předpovídaný zákonem o ideálním plynu.
  • Při vysokých teplotách a vysokých tlacích je objem obsazený skutečným plynem větší než objem předpovídaný zákonem o ideálním plynu.

Matematické modely

Stavová rovnice (pro plyny) je matematický model použitý k zhruba popsat či predikovat státní vlastnosti plynu. V současné době neexistuje jediná stavová rovnice, která by přesně předpovídala vlastnosti všech plynů za všech podmínek. Proto byla pro plyny ve specifických teplotních a tlakových rozsazích vyvinuta řada mnohem přesnějších stavových rovnic. Nejrozšířenějšími „plynovými modely“ jsou „dokonalý plyn“, „ideální plyn“ a „skutečný plyn“. Každý z těchto modelů má svůj vlastní soubor předpokladů, které usnadňují analýzu daného termodynamického systému. Každý následující model rozšiřuje teplotní rozsah pokrytí, na které se vztahuje.

Ideální a dokonalý plyn

Stavová rovnice pro ideální či ideálního plynu je zákon ideálního plynu a čte

kde P je tlak, V je objem, n je množství plynu (v jednotkách mol), R je univerzální plynová konstanta , 8,314 J/(mol K) a T je teplota. Takto napsaný je někdy nazýván „chemickou verzí“, protože zdůrazňuje počet molekul n . Může být také zapsán jako

kde je specifická plynová konstanta pro konkrétní plyn v jednotkách J/(kg K) a ρ = m/V je hustota. Tento zápis je verzí „plynového dynamisty“, která je praktičtější při modelování toků plynu zahrnujících zrychlení bez chemických reakcí.

Zákon o ideálním plynu nedělá předpoklad o specifickém teplu plynu. V nejobecnějším případě je specifické teplo funkcí teploty i tlaku. Je-li závislost na tlaku v konkrétní aplikaci opomíjena (a případně i na závislosti na teplotě), někdy se o plynu říká, že je dokonalým plynem , i když přesné předpoklady se mohou lišit v závislosti na autorovi a/nebo oboru vědy.

Pro ideální plyn platí zákon o ideálním plynu bez omezení specifického tepla. Ideální plyn je zjednodušený „skutečný plyn“ s předpokladem, že součinitel stlačitelnosti Z je nastaven na 1, což znamená, že tento pneumatický poměr zůstává konstantní. Faktor stlačitelnosti jedna také vyžaduje, aby čtyři stavové proměnné dodržovaly zákon o ideálním plynu .

Tato aproximace je vhodnější pro aplikace ve strojírenství, ačkoli lze použít jednodušší modely k vytvoření řady „ball-park“, kde by mělo ležet skutečné řešení. Příkladem, kde je „ideální přiblížení plyn“ by bylo vhodné by byly uvnitř spalovací komory části proudového motoru . Může být také užitečné zachovat elementární reakce a chemické disociace pro výpočet emisí .

Skutečný plyn

21. dubna 1990 erupce Mount Redoubt na Aljašce, znázorňující skutečné plyny, které nejsou v termodynamické rovnováze.

Každý z níže uvedených předpokladů přispívá ke složitosti řešení problému. Jak se hustota plynu zvyšuje s rostoucím tlakem, hrají mezimolekulární síly podstatnější roli v chování plynu, což má za následek, že zákon o ideálním plynu již neposkytuje „rozumné“ výsledky. Na horním konci teplotních rozsahů motoru (např. Spalovací sekce - 1300 K) komplexní palivové částice absorbují vnitřní energii pomocí otáček a vibrací, které způsobují, že se jejich specifické teploty liší od teplot diatomických molekul a vzácných plynů. Při více než dvojnásobku této teploty začne docházet k elektronické excitaci a disociaci částic plynu, což způsobí, že se tlak přizpůsobí většímu počtu částic (přechod z plynu do plazmy ). Nakonec se předpokládalo, že všechny termodynamické procesy popisují rovnoměrné plyny, jejichž rychlosti se měnily podle pevné distribuce. Použití nerovnovážné situace znamená, že tokové pole musí být nějakým způsobem charakterizováno, aby bylo možné řešení. Jedním z prvních pokusů o rozšíření hranic zákona o ideálním plynu bylo zahrnout pokrytí pro různé termodynamické procesy úpravou rovnice na hodnotu pV n = konstantní a poté změnou n prostřednictvím různých hodnot, jako je měrný tepelný poměr , γ .

Efekty skutečného plynu zahrnují úpravy provedené tak, aby zohledňovaly větší rozsah chování plynu:

Pro většinu aplikací je taková podrobná analýza zbytečná. Příklady, kdy by účinky skutečného plynu měly významný dopad, by byly na opětovný vstup raketoplánu, kde byly přítomny extrémně vysoké teploty a tlaky, nebo plyny produkované během geologických událostí jako na obrázku erupce Mount Redoubt v roce 1990 .

Trvalý plyn

Permanentní plyn je termín používaný pro plyn, který má kritickou teplotu pod rozsahem normálních teplot obyvatelných obyvatel, a proto nemůže být zkapalněn tlakem v tomto rozmezí. Historicky se předpokládalo, že takové plyny nelze zkapalnit, a proto by trvale zůstaly v plynném stavu. Tento termín je relevantní pro skladování okolní teploty a přepravu plynů pod vysokým tlakem.

Historický výzkum

Boyleův zákon

Boyleovo vybavení

Boyleův zákon byl možná prvním výrazem stavové rovnice. V roce 1662 Robert Boyle provedl sérii experimentů s použitím skleněné trubice ve tvaru písmene J, která byla na jednom konci utěsněna. Do zkumavky byl přidán rtuť, která zachytila ​​fixní množství vzduchu na krátkém utěsněném konci tuby. Poté byl pečlivě změřen objem plynu, když byla do trubice přidána další rtuť. Tlak plynu mohl být určen rozdílem mezi hladinou rtuti na krátkém konci trubice a na dlouhém, otevřeném konci. Obrázek Boyleova vybavení ukazuje některé z exotických nástrojů, které Boyle používal při studiu plynů.

Prostřednictvím těchto experimentů Boyle poznamenal, že tlak vyvíjený plynem udržovaným při konstantní teplotě se mění nepřímo s objemem plynu. Pokud je například objem snížen na polovinu, tlak se zdvojnásobí; a pokud se objem zdvojnásobí, tlak se sníží na polovinu. Vzhledem k inverznímu vztahu mezi tlakem a objemem je součin tlaku ( P ) a objemu ( V ) konstantní ( k ) pro danou hmotnost omezeného plynu, pokud je teplota konstantní. Uvedeno jako vzorec, tedy je:

Protože objemy a tlaky fixního množství plynu před a po, kde teploty před a po jsou stejné, obě se rovnají konstantě k , mohou být vztaženy rovnicí:

Charlesův zákon

V roce 1787 francouzský fyzik a průkopník balónů Jacques Charles zjistil, že kyslík, dusík, vodík, oxid uhličitý a vzduch expandují ve stejném rozsahu ve stejném intervalu 80 Kelvinů. Poznamenal, že pro ideální plyn při konstantním tlaku je objem přímo úměrný jeho teplotě:

Gay-Lussacov zákon

V roce 1802 Joseph Louis Gay-Lussac publikoval výsledky podobných, i když rozsáhlejších experimentů. Gay-Lussac připsal Charlesovu dřívější práci pojmenováním zákona na jeho počest. Sám Gay-Lussac je připočítán se zákonem popisujícím tlak, který našel v roce 1809. Uvádí, že tlak vyvíjený na strany kontejneru ideálním plynem je úměrný jeho teplotě.

Avogadrův zákon

V roce 1811 Amedeo Avogadro ověřil, že stejné objemy čistých plynů obsahují stejný počet částic. Jeho teorie byla obecně přijímána až v roce 1858, kdy jiný italský chemik Stanislao Cannizzaro dokázal vysvětlit neideální výjimky. Pro jeho práci s plyny před sto lety číslo, které nese jeho jméno Avogadrova konstanta, představuje počet atomů nalezených ve 12 gramech elementárního uhlíku-12 (6,022 × 10 23 mol −1 ). Tento specifický počet částic plynu při standardní teplotě a tlaku (zákon ideálního plynu) zaujímá 22,40 litru, což se označuje jako molární objem .

Avogadrův zákon uvádí, že objem obsazený ideálním plynem je úměrný počtu molů (nebo molekul) přítomných v nádobě. To vede k molárnímu objemu plynu, který je při STP 22,4 dm 3 (nebo litrů). Vztah je dán vztahem

kde n se rovná počtu molů plynu (počet molekul dělený Avogadrovým číslem ).

Daltonův zákon

Daltonův zápis.

V roce 1801 John Dalton publikoval zákon parciálních tlaků ze své práce se vztahem ideálního plynu: Tlak směsi nereaktivních plynů se rovná součtu tlaků všech samotných plynů, které jej tvoří. Matematicky to může být reprezentováno pro n druhů jako:

Celkový tlak = tlak 1 + tlak 2 + ... + tlak n

Obraz Daltonova deníku zobrazuje symboliku, kterou používal jako zkratku k zaznamenávání cesty, kterou sledoval. Mezi jeho klíčová pozorování v časopise při míchání nereaktivních „elastických tekutin“ (plyny) patřily následující:

  • Na rozdíl od kapalin se těžší plyny při míchání nedostaly ke dnu.
  • Identita plynných částic nehrála žádnou roli při určování konečného tlaku (chovali se, jako by jejich velikost byla zanedbatelná).

Speciální témata

Stlačitelnost

Faktory stlačitelnosti pro vzduch.

Termodynamici používají tento faktor ( Z ) ke změně rovnice ideálního plynu, aby zohlednili účinky stlačitelnosti skutečných plynů. Tento faktor představuje poměr skutečných a ideálních specifických objemů. Někdy je označován jako „faktor fudge“ nebo korekce, aby se rozšířil užitečný rozsah zákona o ideálním plynu pro účely návrhu. Obvykle je tato hodnota Z velmi blízká jednotě. Obrázek faktoru stlačitelnosti ukazuje, jak se Z mění v rozmezí velmi nízkých teplot.

Reynoldsovo číslo

V mechanice tekutin je Reynoldsovo číslo poměrem setrvačných sil ( v s ρ ) k viskózním silám ( μ/L ). Je to jedno z nejdůležitějších bezrozměrných čísel v dynamice tekutin a používá se, obvykle spolu s dalšími bezrozměrnými čísly, k poskytnutí kritéria pro určování dynamické podobnosti. Reynoldsovo číslo jako takové poskytuje spojení mezi výsledky modelování (návrh) a skutečnými podmínkami v plném rozsahu. Lze jej také použít k charakterizaci toku.

Viskozita

Satelitní pohled na vývoj počasí v blízkosti ostrovů Robinson Crusoe dne 15. září 1999, ukazuje turbulentní mrakový vzor zvaný vír Kármán

Viskozita, fyzikální vlastnost, je měřítkem toho, jak dobře se sousední molekuly navzájem drží. Pevná látka odolává smykové síle díky síle těchto lepivých mezimolekulárních sil. Tekutina se při podobném zatížení nepřetržitě deformuje. Plyn má sice nižší hodnotu viskozity než kapalina, ale stále jde o pozorovatelnou vlastnost. Pokud by plyny neměly žádnou viskozitu, pak by se nepřilepily k povrchu křídla a nevytvořily mezní vrstvu. Studie delta křídla na Schlierenově obrázku ukazuje, že částice plynu se k sobě lepí (viz část Okrajová vrstva).

Turbulence

Křídlo delty ve větrném tunelu. Stíny se tvoří, když se indexy lomu mění v plynu, jak se stlačuje na náběžné hraně tohoto křídla.

V dynamice tekutin je turbulence nebo turbulentní proudění režimem toku charakterizovaným chaotickými, stochastickými změnami vlastností. To zahrnuje nízkou difúzi hybnosti, vysokou konvekci hybnosti a rychlou změnu tlaku a rychlosti v prostoru a čase. Satelitní pohled na počasí kolem ostrovů Robinson Crusoe ukazuje jeden příklad.

Mezní vrstva

Částice se ve skutečnosti „přilepí“ na povrch předmětu, který jím prochází. Tato vrstva částic se nazývá hraniční vrstva. Na povrchu předmětu je v důsledku tření povrchu v podstatě statický. Objekt s hraniční vrstvou je ve skutečnosti novým tvarem objektu, který ostatní molekuly „vidí“, jak se objekt blíží. Tato mezní vrstva se může od povrchu oddělit, v podstatě vytvořit nový povrch a zcela změnit dráhu toku. Klasickým příkladem je zablokování profilu křídla . Obrázek křídla delta jasně ukazuje zesílení mezní vrstvy, když plyn proudí zprava doleva podél náběžné hrany.

Princip maximální entropie

Jak se celkový počet stupňů volnosti blíží nekonečnu, systém bude nalezen v makrostátu, který odpovídá nejvyšší multiplicitě . Pro ilustraci tohoto principu sledujte teplotu pokožky zmrzlé kovové tyče. Pomocí tepelného obrazu teploty pokožky si všimněte rozložení teploty na povrchu. Toto počáteční pozorování teploty představuje „ mikrostát “. V nějaké budoucí době druhé pozorování teploty kůže vytvoří druhý mikrostát. Pokračováním tohoto pozorovacího procesu je možné vytvořit sérii mikrostátů, které ilustrují tepelnou historii povrchu tyče. Charakterizace této historické řady mikrostavů je možná volbou makrostátu, který je všechny úspěšně zařadí do jednoho seskupení.

Termodynamická rovnováha

Když přenos energie ze systému přestane, tato podmínka se označuje jako termodynamická rovnováha. Obvykle tato podmínka znamená, že systém a okolí mají stejnou teplotu, takže teplo mezi nimi již nepřenáší. To také znamená, že vnější síly jsou vyvážené (objem se nemění) a všechny chemické reakce v systému jsou dokončeny. Časová osa se pro tyto události liší v závislosti na příslušném systému. Nádoba ledu, která se nechá roztát při pokojové teplotě, trvá hodiny, zatímco v polovodičích by přenos tepla, ke kterému dochází při přechodu zařízení ze stavu zapnuto do vypnuto, mohl být řádově několik nanosekund.

Fázové přechody hmoty ()
Na
Z
Pevný Kapalina Plyn Plazma
Pevný Tání Sublimace
Kapalina Zmrazení Vypařování
Plyn Depozice Kondenzace Ionizace
Plazma Rekombinace

Viz také

Poznámky

Reference

Další čtení