Mengapa kita memerlukan persamaan keadaan gas ideal? Persamaan keadaan gas. Campuran gas ideal

DEFINISI

Agar rumus dan hukum fisika lebih mudah dipahami dan digunakan, digunakan berbagai jenis model dan penyederhanaan. Model seperti itu adalah gas ideal. Model dalam sains adalah salinan sederhana dari sistem nyata.

Model tersebut mencerminkan karakteristik dan sifat paling penting dari proses dan fenomena. Model gas ideal hanya memperhitungkan sifat dasar molekul yang diperlukan untuk menjelaskan perilaku dasar gas. Gas ideal menyerupai gas nyata dalam kisaran tekanan (p) dan suhu (T) yang cukup sempit.

Penyederhanaan gas ideal yang paling penting adalah bahwa energi kinetik molekul dianggap jauh lebih besar daripada energi potensial interaksinya. Tumbukan molekul gas dijelaskan dengan menggunakan hukum tumbukan lenting bola. Molekul dianggap bergerak lurus di antara tumbukan. Asumsi ini memungkinkan diperolehnya persamaan khusus, yang disebut persamaan keadaan gas ideal. Persamaan ini dapat diterapkan untuk menggambarkan keadaan gas nyata pada suhu dan tekanan rendah. Persamaan keadaan dapat disebut rumus gas ideal. Kami juga menyajikan rumus dasar lain yang digunakan dalam mempelajari perilaku dan sifat gas ideal.

Persamaan keadaan ideal

Persamaan Mendeleev-Clapeyron

dimana p adalah tekanan gas; V - volume gas; T adalah suhu gas pada skala Kelvin; m adalah massa gas; - massa molar gas; — konstanta gas universal.

Persamaan keadaan gas ideal juga merupakan persamaan:

dimana n adalah konsentrasi molekul gas dalam volume yang dipertimbangkan; .

Persamaan dasar teori kinetika molekuler

Dengan menggunakan model seperti gas ideal, diperoleh persamaan dasar teori kinetik molekul (MKT) (3). Hal ini menunjukkan bahwa tekanan suatu gas adalah hasil dari sejumlah besar tumbukan molekul-molekulnya pada dinding bejana tempat gas tersebut berada.

dimana energi kinetik rata-rata gerak translasi molekul gas; - konsentrasi molekul gas (N - jumlah molekul gas dalam bejana; V - volume bejana); - massa molekul gas; - akar rata-rata kuadrat kecepatan molekul.

Energi dalam gas ideal

Karena dalam gas ideal energi potensial interaksi antar molekul diasumsikan nol, energi dalam sama dengan jumlah energi kinetik molekul:

dimana i adalah jumlah derajat kebebasan molekul gas ideal; - Nomor Avogadro; - jumlah zat. Energi dalam gas ideal ditentukan oleh suhu termodinamika (T) dan sebanding dengan massanya.

Pekerjaan gas ideal

Untuk gas ideal dalam proses isobarik (), usaha dihitung dengan rumus:

Dalam proses isokhorik, usaha yang dilakukan oleh gas adalah nol, karena tidak ada perubahan volume:

Untuk proses isotermal ():

Untuk proses adiabatik (), usahanya sama dengan:

dimana i adalah jumlah derajat kebebasan suatu molekul gas.

Contoh penyelesaian masalah pada topik “Gas ideal”

CONTOH 1

gas ideal adalah gas yang tidak terdapat gaya tarik-menarik dan tolak menolak antar molekul dan ukuran molekul diabaikan. Semua gas nyata pada suhu tinggi dan tekanan rendah secara praktis dapat dianggap sebagai gas ideal.
Persamaan keadaan gas ideal dan gas nyata dijelaskan oleh tiga parameter menurut persamaan (1.7).
Persamaan keadaan gas ideal dapat diturunkan dari teori kinetik molekuler atau dari pertimbangan bersama hukum Boyle-Mariotte dan Gay-Lussac.
Persamaan ini diturunkan pada tahun 1834 oleh fisikawan Perancis Clapeyron dan untuk 1 kg massa gas berbentuk:

·υ = R·Т, (2.10)

dimana: R adalah konstanta gas dan menyatakan usaha yang dilakukan oleh 1 kg gas dalam suatu proses pada tekanan konstan dan perubahan suhu 1 derajat.
Persamaan (2.7) disebut t persamaan keadaan termal atau persamaan karakteristik .
Untuk sejumlah gas bermassa m, persamaan keadaannya adalah:

·V = m·R·Т. (2.11)

Pada tahun 1874, D.I. Mendeleev, berdasarkan hukum Dalton ( “Gas ideal yang berbeda volumenya sama, pada suhu dan tekanan yang sama, mengandung jumlah molekul yang sama.”) mengusulkan persamaan keadaan universal untuk 1 kg gas, yang disebut Persamaan Clapeyron-Mendeleev:

·υ = R μ ·Т/μ , (2.12)

dimana: μ - massa molar (molekul) gas, (kg/kmol);

R μ = 8314,20 J/kmol (8,3142 kJ/kmol) - konstanta gas universal dan mewakili kerja yang dilakukan oleh 1 kmol gas ideal dalam suatu proses pada tekanan konstan dan perubahan suhu 1 derajat.
Mengetahui R μ, Anda dapat mencari konstanta gas R = R μ / μ.
Untuk massa gas yang berubah-ubah, persamaan Clapeyron-Mendeleev akan berbentuk:

Р·V = m·R μ ·Т/μ . (2.13)

Campuran gas ideal.

Campuran gas mengacu pada campuran gas individu yang masuk ke dalam reaksi kimia apa pun satu sama lain. Setiap gas (komponen) dalam campuran, terlepas dari gas lainnya, sepenuhnya mempertahankan semua sifat-sifatnya dan berperilaku seolah-olah gas itu sendiri yang menempati seluruh volume campuran.
Tekanan parsial- ini adalah tekanan yang dimiliki setiap gas yang termasuk dalam campuran jika gas tersebut berada sendirian dalam jumlah yang sama, dalam volume yang sama, dan pada suhu yang sama seperti di dalam campuran.
Campuran gas patuh hukum Dalton:
║Tekanan total campuran gas sama dengan jumlah tekanan parsial║gas individu yang membentuk campuran.

P = P 1 + P 2 + P 3 + . . . Р n = ∑ Р saya , (2.14)

dimana P 1, P 2, P 3. . . Р n – tekanan parsial.
Komposisi campuran ditentukan berdasarkan volume, massa dan fraksi mol, yang ditentukan masing-masing menggunakan rumus berikut:

r 1 = V 1 / V cm; r 2 = V 2 / V cm; … r n = V n / V cm, (2.15)
g 1 = m 1 / m cm; g 2 = m 2 / m cm; … g n = m n / m cm, (2.16)
r 1′ = ν 1 / ν cm; r 2′ = ν 2 / ν cm; … r n′ = ν n / ν cm, (2.17)

dimana V 1; dalam 2 ; … V n ; V cm – volume komponen dan campuran;
m 1; m2; … M N ; m cm – massa komponen dan campuran;
ν 1; ν 2; … ν n ; ν cm – jumlah zat (kilomol)
komponen dan campuran.
Untuk gas ideal, menurut hukum Dalton:

r 1 = r 1′; r 2 = r 2′; … r n = r n ′ . (2.18)

Karena V 1 +V 2 + … + V n = V cm dan m 1 + m 2 + … + m n = m cm,

maka r 1 + r 2 + … + r n = 1, (2.19)
g 1 + g 2 + … + g n = 1. (2.20)

Hubungan antara fraksi volume dan massa adalah sebagai berikut:

g 1 = r 1 ∙μ 1 /μ cm; g 2 = r 2 ∙μ 2 /μ cm; … g n = r n ∙μ n /μ cm, (2.21)

dimana: μ 1, μ 2, ... μ n, μ cm – berat molekul komponen dan campuran.
Berat molekul campuran:

μ cm = μ 1 r 1 + r 2 μ 2 + … + r n μ n. (2.22)

Konstanta gas campuran:

R cm = g 1 R 1 + g 2 R 2 + … + g n R n =
= R μ (g 1 /μ 1 + g 2 /μ 2 + … + g n /μ n) =
= 1 / (r 1 /R 1 + r 2 /R 2 + ... + r n /R n) . (2.23)

Kapasitas panas massa spesifik campuran:

dengan р cm. = g 1 dengan р 1 + g 2 dengan р 2 + … + g n dengan р n. (2.24)
dengan v lihat = g 1 dengan p 1 + g 2 dengan v 2 + ... + g n dengan v n. (2.25)

Kapasitas panas molar (molekul) spesifik campuran:

dengan rμ cm. = r 1 dengan rμ 1 + r 2 dengan rμ 2 + … + r n dengan rμ n. (2.26)
dengan vμ cm. = r 1 dengan vμ 1 + r 2 dengan vμ 2 + … + r n dengan vμ n. (2.27)

Topik 3. Hukum kedua termodinamika.

Ketentuan dasar hukum kedua termodinamika.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa panas dapat diubah menjadi kerja, dan kerja menjadi panas, dan tidak menetapkan kondisi yang memungkinkan terjadinya transformasi ini.
Transformasi usaha menjadi panas selalu terjadi secara sempurna dan tanpa syarat. Proses kebalikan dari konversi panas menjadi kerja selama transisi terus menerus hanya mungkin terjadi dalam kondisi tertentu dan tidak sepenuhnya. Panas secara alami dapat berpindah dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin. Perpindahan panas dari benda dingin ke benda panas tidak terjadi dengan sendirinya. Hal ini memerlukan energi tambahan.
Jadi, untuk analisis lengkap fenomena dan proses, selain hukum pertama termodinamika, perlu ada hukum tambahan. Hukum ini adalah hukum kedua termodinamika . Hal ini menentukan apakah suatu proses tertentu mungkin terjadi atau tidak, ke arah mana proses tersebut berlangsung, kapan kesetimbangan termodinamika tercapai, dan pada kondisi apa kerja maksimum dapat diperoleh.
Rumusan hukum kedua termodinamika.
Untuk keberadaan mesin kalor diperlukan 2 sumber - sumber air panas dan sumber air dingin (lingkungan). Jika mesin kalor beroperasi hanya dari satu sumber, maka disebut mesin gerak abadi jenis ke-2.
1 formulasi (Ostwald):
| "Mesin gerak abadi jenis ke-2 tidak mungkin."

Mesin gerak abadi jenis pertama adalah mesin kalor yang L>Q 1, dimana Q 1 adalah kalor yang disuplai. Hukum pertama termodinamika “mengizinkan” kemungkinan terciptanya mesin kalor yang sepenuhnya mengubah kalor yang disuplai Q 1 menjadi kerja L, yaitu. L = Q 1. Hukum kedua memberlakukan pembatasan yang lebih ketat dan menyatakan bahwa usaha harus lebih kecil dari kalor yang diberikan (L Mesin gerak abadi jenis ke-2 dapat terwujud jika panas Q 2 dipindahkan dari sumber dingin ke sumber panas. Tetapi untuk ini, panas harus berpindah secara spontan dari benda dingin ke benda panas, dan hal ini tidak mungkin terjadi. Hal ini mengarah pada rumusan ke-2 (oleh Clausius):
|| “Panas tidak dapat berpindah secara spontan dari tempat lain
|| tubuh yang dingin ke tubuh yang lebih hangat."
Untuk mengoperasikan mesin kalor, diperlukan dua sumber - panas dan dingin. Formulasi ke-3 (Carnot):
|| “Jika ada perbedaan suhu, hal ini dimungkinkan terjadi
|| bekerja."
Semua formulasi ini saling berhubungan; dari satu formulasi Anda bisa mendapatkan formulasi lainnya.

Entropi.

Salah satu fungsi keadaan sistem termodinamika adalah entropi. Entropi adalah besaran yang ditentukan oleh ekspresi:

dS = dQ / T. [J/K] (3.1)

atau untuk entropi tertentu:

ds = dq / T. [J/(kg K)] (3.2)

Entropi adalah fungsi keadaan suatu benda yang tidak ambigu, dengan nilai yang sangat spesifik untuk setiap keadaan. Ini adalah parameter keadaan yang luas (tergantung pada massa suatu zat) dan dalam setiap proses termodinamika sepenuhnya ditentukan oleh keadaan awal dan akhir suatu benda dan tidak bergantung pada jalur prosesnya.
Entropi dapat didefinisikan sebagai fungsi dari parameter keadaan dasar:

S = f 1 (P,V) ; S = f 2 (P,T) ; S = f 3 (V,T) ; (3.3)

atau untuk entropi tertentu:

s = f 1 (P,υ) ; s = f 2 (P,T) ; S = f 3 (υ,T) ; (3.4)

Karena entropi tidak bergantung pada jenis proses dan ditentukan oleh keadaan awal dan akhir fluida kerja, hanya perubahannya dalam proses tertentu yang ditemukan, yang dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut:

Ds = c v ln(T 2 /T 1) + R ln(υ 2 /υ 1); (3.5)
Ds = c p ln(T 2 /T 1) - R ln(P 2 /P 1) ; (3.6)
Ds = c v ln(P 2 /P 1) + c p ln(υ 2 /υ 1) . (3.7)

Jika entropi sistem meningkat (Ds > 0), maka panas disuplai ke sistem.
Jika entropi sistem berkurang (Ds< 0), то системе отводится тепло.
Jika entropi sistem tidak berubah (Ds = 0, s = Const), maka kalor tidak disuplai atau dikeluarkan ke sistem (proses adiabatik).

Siklus Carnot dan teorema.

Siklus Carnot merupakan siklus melingkar yang terdiri dari 2 proses isotermal dan 2 proses adiabatik. Siklus Carnot reversibel pada diagram p,υ- dan T,s ditunjukkan pada Gambar 3.1.

1-2 – ekspansi adiabatik reversibel pada s 1 = Konst. Suhu menurun dari T 1 ke T 2.
2-3 – kompresi isotermal, pembuangan panas q 2 ke sumber dingin dari fluida kerja.
3-4 – kompresi adiabatik reversibel pada s 2 =Konst. Suhu naik dari T 3 ke T 4.
4-1 – ekspansi isotermal, suplai panas q 1 ke sumber panas ke fluida kerja.
Ciri utama dari setiap siklus adalah efisiensi termal(t.k.p.d.).

ht = L c / Q c, (3.8)

ht = (Q 1 – Q 2) / Q 1.

Untuk siklus Carnot reversibel t.k.d. ditentukan dengan rumus:

jam tk = (T 1 – T 2) / T 1. (3.9)

ini menyiratkan Teorema pertama Carnot :
|| “Efisiensi termal dari siklus Carnot yang dapat dibalik tidak bergantung pada
|| sifat fluida kerja dan hanya ditentukan oleh suhu
|| sumber."
Dari perbandingan siklus reversibel sembarang dan siklus Carnot berikut ini Teorema ke-2 Carnot:
|| "Siklus Carnot yang dapat dibalik adalah siklus terbaik dalam || rentang suhu tertentu"
Itu. t.k.p.d. Siklus Carnot selalu lebih besar dari koefisien efisiensi. lingkaran sewenang-wenang:
h tк > h t . (3.10)

Topik 4. Proses termodinamika.

Gas adalah salah satu dari empat keadaan agregasi di mana suatu zat bisa ada.

Partikel-partikel yang menyusun gas sangat mobile. Mereka bergerak hampir bebas dan kacau, secara berkala saling bertabrakan seperti bola bilyar. Tabrakan seperti ini disebut tumbukan elastis . Selama tabrakan, mereka secara dramatis mengubah sifat gerakannya.

Karena jarak antara molekul, atom, dan ion dalam zat gas jauh lebih besar daripada ukurannya, partikel-partikel ini berinteraksi sangat lemah satu sama lain, dan energi interaksi potensialnya sangat kecil dibandingkan dengan energi kinetik.

Hubungan antar molekul dalam gas nyata sangatlah kompleks. Oleh karena itu, cukup sulit juga untuk menggambarkan ketergantungan suhu, tekanan, volume pada sifat-sifat molekul itu sendiri, kuantitasnya, dan kecepatan pergerakannya. Tetapi tugasnya menjadi lebih sederhana jika, alih-alih gas nyata, kita mempertimbangkan model matematikanya - gas ideal .

Diasumsikan bahwa dalam model gas ideal tidak ada gaya tarik menarik atau tolak menolak antar molekul. Mereka semua bergerak secara independen satu sama lain. Dan hukum mekanika Newton klasik dapat diterapkan pada masing-masingnya. Dan mereka berinteraksi satu sama lain hanya selama tumbukan lenting. Waktu terjadinya tumbukan sendiri sangat singkat jika dibandingkan dengan waktu antar tumbukan.

Gas ideal klasik

Mari kita coba membayangkan molekul gas ideal sebagai bola-bola kecil yang terletak di dalam kubus besar dengan jarak yang sangat jauh satu sama lain. Karena jarak ini, mereka tidak dapat berinteraksi satu sama lain. Oleh karena itu, energi potensialnya adalah nol. Tapi bola-bola ini bergerak dengan kecepatan tinggi. Artinya mereka mempunyai energi kinetik. Ketika mereka bertabrakan satu sama lain dan dengan dinding kubus, mereka berperilaku seperti bola, yaitu memantul secara elastis. Pada saat yang sama, mereka mengubah arah gerakannya, tetapi tidak mengubah kecepatannya. Kira-kira seperti inilah gerak molekul dalam gas ideal.

1. Energi potensial interaksi antar molekul gas ideal sangat kecil sehingga diabaikan dibandingkan energi kinetik.
2. Molekul dalam gas ideal juga sangat kecil sehingga dapat dianggap sebagai titik material. Dan ini berarti mereka volume keseluruhan juga dapat diabaikan dibandingkan dengan volume bejana tempat gas berada. Dan volume ini juga diabaikan.
3. Waktu rata-rata antar tumbukan molekul jauh lebih lama daripada waktu interaksinya selama tumbukan. Oleh karena itu, waktu interaksi juga diabaikan.

Gas selalu mengikuti bentuk wadah tempatnya berada. Partikel yang bergerak bertabrakan satu sama lain dan dengan dinding wadah. Selama tumbukan, setiap molekul memberikan gaya tertentu pada dinding dalam waktu yang sangat singkat. Ini adalah bagaimana hal itu muncul tekanan . Tekanan gas total adalah jumlah tekanan semua molekul.

Persamaan keadaan gas ideal

Keadaan gas ideal dicirikan oleh tiga parameter: tekanan, volume Dan suhu. Hubungan antara keduanya digambarkan dengan persamaan:

Di mana R - tekanan,

V M - volume molar,

R - konstanta gas universal,

T - suhu absolut (derajat Kelvin).

Karena V M = V / N , Di mana V - volume, N - jumlah zat, dan n= m/M , Itu

Di mana M - massa gas, M - masa molar. Persamaan ini disebut Persamaan Mendeleev-Clayperon .

Pada massa konstan persamaannya menjadi:

Persamaan ini disebut hukum gas bersatu .

Dengan menggunakan hukum Mendeleev-Cliperon, salah satu parameter gas dapat ditentukan jika dua parameter lainnya diketahui.

Isoproses

Dengan menggunakan persamaan hukum gas terpadu, dimungkinkan untuk mempelajari proses di mana massa gas dan salah satu parameter terpenting - tekanan, suhu, atau volume - tetap konstan. Dalam fisika, proses seperti itu disebut isoproses .

Dari Undang-undang gas terpadu mengarah pada undang-undang gas penting lainnya: Hukum Boyle-Mariotte, hukum Gay-Lussac, Hukum Charles, atau hukum kedua Gay-Lussac.

Proses isotermal

Suatu proses yang terjadi perubahan tekanan atau volume tetapi suhu tetap disebut proses isotermal .

Dalam proses isotermal T = konstanta, m = konstanta .

Perilaku gas dalam proses isotermal dijelaskan oleh Hukum Boyle-Mariotte . Hukum ini ditemukan secara eksperimental Fisikawan Inggris Robert Boyle pada tahun 1662 dan Fisikawan Perancis Edme Mariotte pada tahun 1679. Terlebih lagi, mereka melakukan ini secara mandiri. Hukum Boyle-Marriott dirumuskan sebagai berikut: Pada gas ideal yang suhunya konstan, hasil kali tekanan gas dan volumenya juga konstan.

Persamaan Boyle-Marriott dapat diturunkan dari hukum gas terpadu. Mengganti ke dalam rumus T = konstanta , kita mendapatkan

P · V = konstanta

Begitulah adanya Hukum Boyle-Mariotte . Dari rumusnya jelas bahwa tekanan gas pada suhu konstan berbanding terbalik dengan volumenya. Semakin tinggi tekanannya, semakin kecil volumenya, dan sebaliknya.

Bagaimana menjelaskan fenomena ini? Mengapa tekanan suatu gas berkurang seiring bertambahnya volume gas?

Karena suhu gas tidak berubah, frekuensi tumbukan molekul dengan dinding bejana tidak berubah. Jika volume bertambah, konsentrasi molekul menjadi lebih kecil. Akibatnya, per satuan luas akan lebih sedikit molekul yang bertumbukan dengan dinding per satuan waktu. Tekanannya turun. Sebaliknya, jika volumenya mengecil, jumlah tumbukan justru bertambah. Sejalan dengan itu, tekanannya meningkat.

Secara grafis, proses isotermal ditampilkan pada bidang kurva, yang disebut isoterm . Dia memiliki bentuk hiperbola.

Setiap nilai suhu mempunyai isotermnya masing-masing. Semakin tinggi suhunya, semakin tinggi pula letak isotermnya.

Proses isobarik

Proses perubahan suhu dan volume gas pada tekanan tetap disebut isobarik . Untuk proses ini m = konstanta, P = konstanta.

Ketergantungan volume gas pada suhunya pada tekanan konstan juga telah diketahui secara eksperimental Kimiawan dan fisikawan Perancis Joseph Louis Gay-Lussac, yang menerbitkannya pada tahun 1802. Itulah sebabnya disebut hukum Gay-Lussac : " Dll dan tekanan konstan, perbandingan volume gas bermassa konstan terhadap suhu absolutnya adalah nilai konstan."

Pada P = konstanta persamaan hukum gas terpadu berubah menjadi Persamaan Gay-Lussac .

Contoh proses isobarik adalah gas yang terletak di dalam silinder tempat piston bergerak. Ketika suhu meningkat, frekuensi tumbukan molekul pada dinding meningkat. Tekanan meningkat dan piston naik. Akibatnya volume yang ditempati gas di dalam silinder bertambah.

Secara grafis, proses isobarik dilambangkan dengan garis lurus yang disebut isobar .

Semakin tinggi tekanan dalam gas, semakin rendah letak isobar yang sesuai pada grafik.

Proses isokhorik

isokhorik, atau isokorik, adalah proses perubahan tekanan dan suhu gas ideal pada volume tetap.

Untuk proses isokhorik m = konstanta, V = konstanta.

Sangat mudah untuk membayangkan proses seperti itu. Itu terjadi di bejana dengan volume tetap. Misalnya, dalam sebuah silinder, piston di dalamnya tidak bergerak, tetapi dipasang secara kaku.

Proses isokhorik dijelaskan hukum Charles : « Untuk gas bermassa tertentu pada volume konstan, tekanannya sebanding dengan suhu" Penemu dan ilmuwan Perancis Jacques Alexandre César Charles menjalin hubungan ini melalui eksperimen pada tahun 1787. Pada tahun 1802, hal ini diklarifikasi oleh Gay-Lussac. Oleh karena itu hukum ini kadang-kadang disebut Hukum kedua Gay-Lussac.

Pada V = konstanta dari persamaan hukum gas terpadu kita mendapatkan persamaannya hukum Charles atau Hukum kedua Gay-Lussac .

Pada volume konstan, tekanan suatu gas bertambah jika suhunya meningkat. .

Pada grafik, proses isokhorik diwakili oleh garis yang disebut isokore .

Semakin besar volume yang ditempati oleh gas, semakin rendah letak isokore yang sesuai dengan volume tersebut.

Pada kenyataannya, tidak ada parameter gas yang dapat dipertahankan tidak berubah. Hal ini hanya dapat dilakukan dalam kondisi laboratorium.

Tentu saja gas ideal tidak ada di alam. Namun dalam gas yang dijernihkan pada suhu dan tekanan yang sangat rendah tidak lebih dari 200 atmosfer, jarak antar molekul jauh lebih besar daripada ukurannya. Oleh karena itu, sifat-sifatnya mendekati sifat-sifat gas ideal.

>>Fisika dan Astronomi >>Fisika kelas 10 >>Fisika: Persamaan keadaan gas ideal

Keadaan gas ideal

Pelajaran fisika hari ini akan kita bahas pada topik persamaan keadaan gas ideal. Namun, pertama-tama, mari kita coba memahami konsep keadaan gas ideal. Kita tahu bahwa partikel-partikel gas nyata, seperti atom dan molekul, memiliki ukurannya sendiri-sendiri dan secara alami mengisi sejumlah volume di ruang angkasa, dan oleh karena itu, mereka sedikit bergantung satu sama lain.

Saat berinteraksi antara partikel gas, kekuatan fisik membebani pergerakannya dan dengan demikian membatasi kemampuan manuvernya. Oleh karena itu, undang-undang gas dan konsekuensinya, pada umumnya, tidak dilanggar hanya untuk gas nyata yang dijernihkan. Artinya, untuk gas, jarak antar partikelnya jauh melebihi ukuran sebenarnya partikel gas tersebut. Selain itu, interaksi antar partikel tersebut biasanya minimal.

Oleh karena itu, hukum gas pada tekanan atmosfer alami mempunyai nilai perkiraan, dan jika tekanan ini tinggi, maka hukum tersebut tidak berlaku.

Oleh karena itu, dalam fisika, merupakan kebiasaan untuk mempertimbangkan konsep seperti keadaan gas ideal. Dalam keadaan seperti itu, partikel biasanya dianggap sebagai titik geometris tertentu yang berdimensi mikroskopis dan tidak berinteraksi satu sama lain.

Persamaan keadaan gas ideal

Namun persamaan yang menghubungkan parameter mikroskopis tersebut dan menentukan wujud gas biasa disebut persamaan wujud gas ideal.

Parameter nol tersebut, yang tanpanya tidak mungkin menentukan keadaan gas, adalah:

Parameter pertama mencakup tekanan, yang dilambangkan dengan simbol - P;
Parameter kedua adalah volume –V;
Dan parameter ketiga adalah suhu – T.
Dari pelajaran kita sebelumnya, kita telah mengetahui bahwa gas dapat bertindak sebagai reaktan atau menjadi produk dalam reaksi kimia, oleh karena itu, dalam kondisi normal, sulit untuk membuat gas bereaksi satu sama lain, dan untuk itu perlu mampu. untuk menentukan jumlah mol gas pada kondisi yang berbeda dari normal.

Namun untuk tujuan ini mereka menggunakan persamaan keadaan gas ideal. Persamaan ini biasa juga disebut persamaan Clapeyron-Mendeleev.

Persamaan keadaan gas ideal seperti itu dapat dengan mudah diperoleh dari rumus ketergantungan tekanan dan suhu, yang menggambarkan konsentrasi gas dalam rumus ini.

Persamaan ini disebut persamaan keadaan gas ideal.

n adalah jumlah mol gas;
P – tekanan gas, Pa;
V – volume gas, m3;
T – suhu gas absolut, K;
R – konstanta gas universal 8,314 J/mol×K.

Untuk pertama kalinya, persamaan yang membantu menetapkan hubungan antara tekanan, volume, dan suhu gas diperoleh dan dirumuskan pada tahun 1834 oleh fisikawan terkenal Prancis Benoit Clapeyron, yang lama bekerja di St. Namun Dmitry Ivanovich Mendeleev, ilmuwan besar Rusia, pertama kali menggunakannya pada tahun 1874, namun sebelumnya ia memperoleh rumus tersebut dengan menggabungkan hukum Avogadro dengan hukum yang dirumuskan Clapeyron.

Oleh karena itu, di Eropa, hukum yang memungkinkan kita menarik kesimpulan tentang sifat perilaku gas disebut hukum Mendeleev-Clapeyron.

Selain itu, Anda harus memperhatikan fakta bahwa jika volume gas dinyatakan dalam liter, persamaan Clapeyron-Mendeleev akan berbentuk sebagai berikut:

Saya harap Anda tidak mengalami kesulitan mempelajari topik ini dan sekarang Anda memiliki gambaran tentang apa persamaan keadaan gas ideal dan Anda tahu bahwa dengan bantuannya Anda dapat menghitung parameter gas nyata dalam gas ideal. kasus ketika kondisi fisik gas mendekati kondisi normal.

Keadaan gas dicirikan oleh tekanan R, suhu 7, dan volume V. Hubungan antara besaran-besaran ini ditentukan oleh hukum keadaan gas.

Minyak dan gas alam memiliki penyimpangan yang signifikan dari hukum gas ideal karena interaksi antar molekul yang terjadi ketika gas nyata dikompresi. Derajat penyimpangan kompresibilitas gas nyata dari gas ideal ditandai dengan koefisien kompresibilitas z, yang menunjukkan perbandingan volume gas nyata dengan volume gas ideal pada kondisi yang sama.

Di dalam reservoir, gas hidrokarbon dapat ditemukan dalam berbagai kondisi. Dengan peningkatan tekanan dari O menjadi 3-4 MPa, volume gas berkurang. Dalam hal ini, molekul-molekul gas hidrokarbon semakin mendekat dan gaya tarik menarik di antara keduanya membantu gaya luar yang menekan gas tersebut. Ketika gas hidrokarbon sangat terkompresi, jarak antarmolekul menjadi sangat kecil sehingga gaya tolak menolak pengurangan volume lebih lanjut dan kompresibilitas gas menurun.

Dalam prakteknya, keadaan gas hidrokarbon nyata pada berbagai suhu dan tekanan dapat digambarkan berdasarkan persamaan Clapeyron:

PV=z-m-R-T (2.9)

Di mana R - tekanan gz. Pa; V" - volume yang ditempati oleh gas pada tekanan tertentu, m 3 ; T - massa gas, kg; R- konstanta gas, J/(kg-K); T- suhu, K; G - faktor kompresibilitas.

Koefisien kompresibilitas ditentukan dari grafik yang dibangun dari data eksperimen.

Keadaan sistem gas-cair hidrokarbon dengan perubahan tekanan dan suhu.

Ketika minyak dan gas bergerak dalam formasi, lubang sumur, sistem pengumpulan dan pengolahan, tekanan dan suhu berubah, yang menyebabkan perubahan keadaan fase hidrokarbon - transisi dari cair ke gas dan sebaliknya. Karena minyak dan gas terdiri dari sejumlah besar komponen dengan sifat yang berbeda-beda, maka dalam kondisi tertentu beberapa komponen tersebut dapat berada dalam fasa cair, dan sebagian lagi berada dalam fasa uap (gas). Jelas terlihat bahwa pola pergerakan sistem satu fasa pada formasi dan lubang sumur sangat berbeda dengan pola pergerakan multifase. Kondisi pengangkutan minyak dan gas jarak jauh serta pengolahan selanjutnya memerlukan pemisahan komponen yang mudah menguap dari fraksi kental cair. Oleh karena itu, pilihan teknologi pengembangan lapangan dan sistem pengolahan minyak dan gas di lapangan sebagian besar terkait dengan studi keadaan fase hidrokarbon dalam kondisi termodinamika yang berubah.

Transformasi fasa sistem hidrokarbon diilustrasikan dengan diagram fasa yang menunjukkan hubungan antara tekanan, suhu, dan volume spesifik suatu zat.

Pada Gambar. 2.2, A Diagram keadaan gas murni (etana) ditunjukkan. Garis padat pada diagram menunjukkan hubungan antara tekanan dan volume spesifik suatu zat pada suhu konstan. Garis-garis yang melalui daerah yang dibatasi oleh kurva putus-putus mempunyai tiga ciri bagian. Jika kita perhatikan salah satu garis daerah bertekanan tinggi, maka mula-mula kenaikan tekanan disertai dengan sedikit peningkatan volume spesifik zat yang bersifat kompresibel dan pada daerah tersebut berwujud cair.

Beras. 2.2. Diagram fase gas murni

Pada tekanan tertentu, isotermnya pecah tajam dan tampak seperti garis horizontal. Pada tekanan konstan, volume zat terus bertambah. Di daerah ini cairan menguap dan memasuki fase uap. Penguapan berakhir pada titik putusnya isoterm kedua, setelah itu perubahan volume disertai dengan penurunan tekanan yang hampir proporsional. Di wilayah ini, semua materi berbentuk gas.

keadaan (dalam fase uap). Garis putus-putus yang menghubungkan titik-titik putus isoterm membatasi daerah peralihan suatu zat dari wujud cair ke wujud uap atau sebaliknya (ke arah penurunan volume tertentu). Wilayah ini sesuai dengan kondisi di mana suatu zat secara bersamaan berada dalam dua wujud, cair dan gas (wilayah keadaan dua fase suatu zat). Garis putus-putus yang terletak di sebelah kiri titik C disebut kurva titik penguapan. Koordinat titik-titik pada garis ini adalah tekanan dan suhu saat zat mulai mendidih. Di sebelah kanan titik C terdapat garis putus-putus yang disebut kurva titik embun atau titik embun. Ini menunjukkan pada tekanan dan suhu berapa kondensasi uap dimulai - transisi suatu zat menjadi cair. Titik C yang terletak di puncak daerah dua fasa disebut titik kritis. Pada tekanan dan suhu yang sesuai dengan titik ini, sifat-sifat fase uap dan cair adalah sama. Selain itu, untuk zat murni, titik kritis menentukan nilai tekanan dan suhu tertinggi di mana zat tersebut secara bersamaan dapat berada dalam keadaan dua fase. Jika memperhatikan isoterm yang tidak melintasi daerah dua fasa, terlihat jelas bahwa sifat-sifat zat berubah secara terus menerus dan peralihan zat dari wujud cair ke wujud gas atau sebaliknya terjadi tanpa melalui keadaan dua fasa. .

Pada Gambar. 2.2, B Diagram keadaan etana ditampilkan, disusun ulang dalam koordinat tekanan-suhu. Karena zat murni berpindah dari satu keadaan fasa ke keadaan fasa lainnya pada tekanan konstan, kurva titik penguapan dan kondensasi pada diagram ini bertepatan dan diakhiri dengan titik kritis C. Garis yang dihasilkan membatasi daerah zat cair dan uap. Suatu zat dapat berada dalam keadaan dua fase hanya pada tekanan dan suhu yang sesuai dengan koordinat garis ini.