Rieth József: Anyagvilág - Háttérismeret

Tökéletes (ideális) gáz

Tartalomjegyzékhez Világképem <  (Kvark-időszak, Hadron-időszak)     

A gáz forma az anyag egy halmazállapota. Mint a folyadékok, a gázok is fluidumok: képesek áramlani és nem állnak ellent a deformációnak, habár van viszkozitásuk. A folyadékokkal ellentétben a gázok nem öltik fel az őket tartalmazó test formáját, hanem igyekszenek az általuk elfoglalt teret kitölteni. A gázokban meglévő kinetikus energia a második legnagyobb a halmazállapotok között (a plazma után). Ezen magasabb kinetikus energiaszint miatt a gázok atomjai és molekulái visszapattannak az őket tároló anyag felületéről, és egymásról. Ez a folyamat a kinetikus energia növelésével erősödik. Elterjedt tévhit, hogy a gázok nyomását a gázmolekulák egymásnak ütközésével magyarázzák, de valójában csupán véletlenszerű sebességük elegendő a nyomás értékének meghatározásához. A kölcsönös ütközések csupán a Maxwell-Boltzmann eloszlás megalapozásához voltak fontosak.

A „gáz” szó valószínűleg egy flamand kémikustól ered, a káosz görög szó flamand kiejtését írta így le.

Az ideális gáz a fizikában használt absztrakció, a gázok olyan egyszerűsített modelljét írja le, amelynek termodinamikai viselkedése egyszerű matematikai eszközökkel írható le. A reális gázok többé vagy kevésbé közelítik meg az ideális állapotot. Az ideális gázokat a fizikai kémiában célszerűbb tökéletes gáznak nevezni, mivel az ideális jelzőt az elegyek jellemzésére használják. Az 'ideális' gázok részecskéi folytonos, zegzugos mozgást végeznek, közben ütköznek egymással, és az edény falával is (ezek tökéletesen rugalmas ütközések, tehát nem vész el energia az ütközéseknél [természetesen ilyen sem fordul elő a valóságban]), innen származik az 'ideális' gázok nyomása.

A gázok törvényszerűségei leírhatók a mozgó testekre vonatkozó fizikai törvényekkel, ha feltételezzük ideális voltukat, amihez a következő kritériumoknak kell teljesülniük:

          A gázmolekulák saját térfogata elhanyagolható a gáz által betöltött térfogathoz képest

          A gázmolekulák egymásra sem vonzó, sem taszító hatást nem fejtenek ki, az ütközésektől eltekintve

          A gázmolekulák egymással illetve az edény falával való ütközése rugalmas

          A gázmolekulák átlagos sebességét és kinetikai energiáját a gáz hőmérséklete adja meg

          Azonos hőmérsékleten, azonos számú gázmolekula kinetikai energiája megegyezik, és független a gáz anyagi minőségétől

          Az ideális gázokra, és csak az ideális gázokra teljesül az egyesített gáztörvény.

Általában számításoknál a gázokat – első közelítésben – ideális gázoknak tekintjük. A légnemű közegek jellemzően akkor közelítik meg a tökéletes gázokra jellemző tulajdonságokat, ha hőmérsékletük kritikus hőmérsékletüknél nagyobb (ahol a párolgáshő nulla). Azokat a légnemű anyagokat, amelyeknek hőmérséklete a kritikus hőmérséklet alatti, gőznek hívjuk.

Gyakorlati tapasztalatainkból tudjuk, hogy hőközlés hatására a gázok molekuláinak sebessége növekszik, és ennek következtében valamely jól körülhatárolt térrészben, például adott térfogatú tartályban levő gázmennyiség nyomása és térfogata, illetve a két mennyiség pV szorzata is nő, lehűléskor pedig csökken. A gázok termodinamikai folyamatairól úgy nyerhetünk jól áttekinthető képet, ha vizsgálatainkban a három állapotjelző egyikét állandó értéken tartva megfigyeljük a másik két állapotjelző változását, illetve összefüggését. A következőkben tehát tekintsük át ezen állapotváltozások összefüggéseit!

Ha a melegítés közben a gáz nyomását állandó értéken tartjuk, akkor a térfogata növekszik. Ezt az állandó nyomáson végbemenő állapotváltozást izobár állapotváltozásnak nevezzük. A jelenség hasonló a szilárd testek vagy folyadékok melegítésekor bekövetkező térfogati hőtáguláshoz, tehát az ott elmondottak bizonyos kiegészítésekkel a gázokra is érvényesek. Az állandó nyomáson végbemenő állapotváltozás során adott anyagmennyiségű gáz térfogata egyenesen arányos abszolút hőmérsékletével, vagyis V/T állandó. Ezt a tapasztalati összefüggést szokás Gay-Lussac első törvényének nevezni.

Ha valamely gázmennyiség térfogatát állandó értéken tartjuk, és a gázt melegítjük, akkor a gáz nyomása hőmérsékletével együtt növekszik. Az állandó térfogaton végbemenő állapotváltozást nak nevezzük. Az állandó térfogaton végbemenő állapotváltozás során adott anyagmennyiségű gáz nyomása egyenesen arányos abszolút hőmérsékletével, vagyis p/T állandó. Ez Gay-Lussac második törvénye.

Végezetül vizsgáljuk azt az esetet, amikor a harmadik termikus állapotjelző, a hőmérséklet értéke állandó, és az állapotváltozás során vizsgáljuk a nyomás és a térfogat összefüggését.

Gyakorlati tapasztalataink és a mérések azt mutatják, hogy állandó hőmérsékleten végbemenő állapotváltozás esetén a gáz nyomása és térfogata egymással fordítottan arányos, vagyis érvényes a pV=állandó összefüggés. Ez a bizonyára ismerős összefüggés a Boyle-Mariotte törvény.

Amennyiben a gázok állapotváltozásaival kapcsolatos megállapításainkat általánosítani akarjuk, a gázok termikus állapotjelzői (a T hőmérséklet, a p nyomás és a v fajtérfogat) között a következő, tapasztalati úton megállapított törvényszerűséget fogalmazhatjuk meg:

pV/T = állandó (R),

vagyis szavakban: ha egy adott gáz nyomásának és fajtérfogatának a szorzatát elosztjuk az abszolút hőmérsékletével, állandó értéket kapunk. Ez az állandó az adott gázra jellemző, és specifikus gázállandónak nevezzük. Ezt, a termikus állapotjelzők közötti függvénykapcsolatot az ideális gáz állapotegyenletének nevezzük.

Tartalomjegyzékhez Világképem <  Kvark-időszak     

-------------

http://hu.wikipedia.org/wiki/Ide%C3%A1lis_g%C3%A1z

http://sulinet.hu/tovabbtan/felveteli/ttkuj/fizika/gaztorv/gaztorv.htm

http://hu.wikipedia.org/wiki/G%C3%A1z