Lecție pentru bacalaureat · Fizică

Transformările gazului ideal

Clasa a X-a

Ideile de bază pe scurt și, unde există, exercițiile din subiectele de BAC care le verifică. Lecția completă, animată, cu grile și exerciții corectate, e în aplicația Tomomi.

Pe scurt

Formulă

Formulă · Ecuația de stare

p⋅V=ν⋅R⋅Tp \cdot V = \nu \cdot R \cdot T

Leagă presiunea, volumul și temperatura absolută ale gazului. R=8,31 J/(mol⋅K)R = 8{,}31\ \text{J}/(\text{mol} \cdot \text{K}); TT mereu în kelvin.

Sfat

Capcană · Kelvin, nu grade Celsius

În TOATE legile gazelor (pV=νRTpV = \nu RT, V/T=constV/T = \text{const}, p/T=constp/T = \text{const}) temperatura se înlocuiește în kelvin: T=t+273T = t + 273. Rapoartele V/TV/T și p/Tp/T dau rezultate greșite dacă pui temperatura în °C.

Formulă

Lege · Cele trei transformări simple

V1T1=V2T2 (p=const)\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \ (p = \text{const})p1T1=p2T2 (V=const)\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \ (V = \text{const})p1⋅V1=p2⋅V2 (T=const)p_1 \cdot V_1 = p_2 \cdot V_2 \ (T = \text{const})

Fiecare lege rezultă din ecuația de stare păstrând o mărime constantă.

Idee

Idee · Adiabata și izoterma

Ambele sunt curbe în p−Vp-V, dar adiabata e mai abruptă: la aceeași comprimare, presiunea crește mai mult pentru că gazul se și încălzește (Q=0Q = 0, deci ΔU=−L\Delta U = -L).

Din subiectele de BAC

Exerciții reale din subiectele anilor trecuți. Încearcă-le singur înainte să deschizi rezolvarea.

În interiorul unui cilindru este închisă, cu ajutorul unui piston, o cantitate ν1=2,0 mol\nu_1 = 2{,}0\,\text{mol} de oxigen (μ1=32 g/mol\mu_1 = 32\,\text{g/mol}, CV1=2,5RC_{V_1} = 2{,}5R) la temperatura T=300 KT = 300\,\text{K} și presiunea p=1,5⋅105 Pap = 1{,}5 \cdot 10^5\,\text{Pa}. Ulterior în interiorul cilindrului se mai introduce lent o cantitate de heliu (μ2=4,0 g/mol\mu_2 = 4{,}0\,\text{g/mol}, CV2=1,5RC_{V_2} = 1{,}5R) având temperatura T=300 KT = 300\,\text{K}, până când volumul total ocupat de amestecul gazos din cilindru se dublează. În timpul acestui proces, prin deplasarea pistonului, presiunea amestecului aflat la temperatura T=300 KT = 300\,\text{K} este menținută constantă, la valoarea p=1,5⋅105 Pap = 1{,}5 \cdot 10^5\,\text{Pa}. Atât oxigenul cât și heliul sunt considerate gaze ideale.

Calculați cantitatea de heliu introdusă suplimentar în interiorul tubului cilindric.

Vezi rezolvarea

Introducerea heliului se face la presiune și temperatură constante, deci putem scrie ecuația de stare înainte și după:

pV=ν1RT,p⋅2V=(ν1+ν2)RT.p V = \nu_1 R T, \qquad p \cdot 2V = (\nu_1 + \nu_2) R T.

Împărțind a doua relație la prima:

2=ν1+ν2ν1  ⇒  ν2=ν1=2 mol.2 = \frac{\nu_1 + \nu_2}{\nu_1} \;\Rightarrow\; \nu_2 = \nu_1 = 2\,\text{mol}.

La pp și TT fixate, volumul unui gaz ideal este proporțional cu numărul de moli (legea lui Avogadro), deci dublarea volumului cere dublarea cantității totale de substanță - indiferent ce gaz se adaugă.

Un cilindru orizontal, închis la ambele capete și având lungimea L=52 cmL = 52\,\text{cm}, este împărțit în două compartimente de volume egale de un piston subțire, etanș, termoizolant, inițial blocat. Compartimentul din stânga al cilindrului conține ν1=3,0 mol\nu_1 = 3{,}0\,\text{mol} de oxigen (μ1=32 g/mol\mu_1 = 32\,\text{g/mol}) la temperatura T1=300 KT_1 = 300\,\text{K}. În compartimentul din dreapta al cilindrului se află ν2=1,0 mol\nu_2 = 1{,}0\,\text{mol} de azot (μ2=28 g/mol\mu_2 = 28\,\text{g/mol}) la temperatura T2=400 KT_2 = 400\,\text{K} și presiunea p2=8,31⋅104 Pap_2 = 8{,}31 \cdot 10^4\,\text{Pa}. Cele două gaze sunt considerate ideale.

Calculați densitatea azotului din cilindru.

Vezi rezolvarea

Din ecuația termică de stare pV=mμRTp V = \frac{m}{\mu} R T rezultă ρ=mV=pμRT\rho = \frac{m}{V} = \frac{p \mu}{R T}. Pentru azot: ρ2=p2μ2RT2=8,31⋅104⋅28⋅10−38,31⋅400=0,7 kg/m3\rho_2 = \frac{p_2 \mu_2}{R T_2} = \frac{8{,}31 \cdot 10^4 \cdot 28 \cdot 10^{-3}}{8{,}31 \cdot 400} = 0{,}7\,\text{kg/m}^3.

Un cilindru orizontal închis este împărțit printr-un piston termoizolant mobil în două compartimente: neon (μ1=20 g/mol\mu_1 = 20\,\text{g/mol}) și oxigen (μ2=32 g/mol\mu_2 = 32\,\text{g/mol}), cu mase egale, inițial la aceeași temperatură t1=27 °Ct_1 = 27\,°\text{C} (T1=300 KT_1 = 300\,\text{K}), pistonul fiind în echilibru (raportul lungimilor ℓ1/ℓ2=1,6\ell_1/\ell_2 = 1{,}6).

Se modifică temperatura oxigenului până la valoarea pentru care pistonul se află în echilibru la mijlocul cilindrului. Determinați variația temperaturii oxigenului, considerând că temperatura neonului nu se modifică.

Vezi rezolvarea

În starea finală pistonul este la mijloc, deci volumele sunt egale, iar presiunile sunt egale (echilibru). Pentru neon (temperatura neschimbată T1T_1): p′ℓ2S=mμ1RT1p'\dfrac{\ell}{2}S = \dfrac{m}{\mu_1}RT_1. Pentru oxigen: p′ℓ2S=mμ2RT2p'\dfrac{\ell}{2}S = \dfrac{m}{\mu_2}RT_2. Egalând: T1μ1=T2μ2\dfrac{T_1}{\mu_1} = \dfrac{T_2}{\mu_2}, deci T2=T1μ2μ1=300⋅1,6=480 KT_2 = T_1\dfrac{\mu_2}{\mu_1} = 300\cdot 1{,}6 = 480\,\text{K}. Variația: ΔT=T2−T1=180 K\Delta T = T_2 - T_1 = 180\,\text{K}.

Toate lecțiile de Fizică

Descarcă

Începe azi. Bacul nu așteaptă.

Descarcă Tomomi pe telefonul copilului tău și pornește perioada de probă gratuită.