Теория:
Но что произойдёт с газом, если мы зафиксируем какой-нибудь один параметр и будем менять другие? Для этого существуют газовые законы. Их ещё называют изопроцессами (приставка «изо» означает «равный»).
В реальности строго выдержать постоянство какого-либо параметра трудно, но в лабораториях и технике это возможно. Рассмотрим три главных изопроцесса: изотермический, изохорный, изобарный.
В реальности строго выдержать постоянство какого-либо параметра трудно, но в лабораториях и технике это возможно. Рассмотрим три главных изопроцесса: изотермический, изохорный, изобарный.
1. Изотермический процесс: температура постоянна \((T = const)\)
Что происходит. Мы меняем объём газа, но следим, чтобы температура оставалась постоянной (например, ставим сосуд в термостат или даём газу медленно расширяться).Закон Бойля — Мариотта. При постоянной температуре давление газа обратно пропорционально его объёму.
Формула: .
Простыми словами: сжал газ в \(2\) раза — давление выросло в \(2\) раза. Расширил — давление упало.
График (см. таблицу ниже). В координатах \(p \ –V\) это гипербола. Чем выше температура, тем выше лежит гипербола.
Формула: .
Простыми словами: сжал газ в \(2\) раза — давление выросло в \(2\) раза. Расширил — давление упало.
График (см. таблицу ниже). В координатах \(p \ –V\) это гипербола. Чем выше температура, тем выше лежит гипербола.
Пример:
1. Шприц. Возьми шприц, закрой пальцем отверстие и попробуй сдвинуть поршень. Ты почувствуешь, что воздух пружинит, — чем сильнее ты давишь, тем меньше становится объём, но давление внутри растёт. Температура при этом почти не меняется (если совершать действия медленно).
2. Велосипедный насос. Когда ты медленно нагнетаешь воздух в камеру, он нагревается, но сам процесс сжатия воздуха в насосе близок к изотермическому, если качать не слишком быстро.
2. Велосипедный насос. Когда ты медленно нагнетаешь воздух в камеру, он нагревается, но сам процесс сжатия воздуха в насосе близок к изотермическому, если качать не слишком быстро.
2. Изобарный процесс: давление постоянно \((p = const)\)
Что происходит. Мы нагреваем газ в цилиндре с подвижным поршнем. Поршень двигается так, чтобы давление внутри оставалось равным атмосферному (или любому другому постоянному значению).
Закон Гей-Люссака. При постоянном давлении объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.
Формула: .
Простыми словами: нагрели газ в \(2\) раза — его объём вырос в \(2\) раза. Остудили — уменьшился.
График (см. таблицу ниже). В координатах \(V–T\) это прямая линия, выходящая из нуля. В координатах \(p \ –V\) — горизонтальная прямая.
Закон Гей-Люссака. При постоянном давлении объём газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.
Формула: .
Простыми словами: нагрели газ в \(2\) раза — его объём вырос в \(2\) раза. Остудили — уменьшился.
График (см. таблицу ниже). В координатах \(V–T\) это прямая линия, выходящая из нуля. В координатах \(p \ –V\) — горизонтальная прямая.
Пример:
1. Воздушный шарик, который вынесли на мороз. На холоде он сжимается (объём уменьшается), потому что температура падает, а давление внутри почти равно атмосферному. Занесли в тёплую комнату — шарик раздувается обратно.
2. Пробирка с водой, закрытая пробкой с трубочкой. Если нагревать пробирку, вода в трубочке начнёт подниматься — объём расширяется при постоянном атмосферном давлении.
3. Изохорный процесс: объём постоянен \((V = const)\)
Что происходит. Мы нагреваем газ в жёстком закрытом сосуде (например, в металлическом баллоне). Стенки не дают газу расширяться, объём остаётся неизменным.
Закон Шарля. При постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре.
Формула: .
Простыми словами: нагрели газ в баллоне — давление внутри резко выросло. Остудили — давление упало.
График (см. таблицу ниже). В координатах \(p \ –T\) это прямая линия, выходящая из нуля. В координатах \(p\ –V\) — вертикальная прямая.
Закон Шарля. При постоянном объёме давление газа прямо пропорционально его абсолютной температуре.
Формула: .
Простыми словами: нагрели газ в баллоне — давление внутри резко выросло. Остудили — давление упало.
График (см. таблицу ниже). В координатах \(p \ –T\) это прямая линия, выходящая из нуля. В координатах \(p\ –V\) — вертикальная прямая.
Пример:
1. Автомобильные шины летом и зимой. Зимой на морозе датчик давления в машине показывает значение меньше, чем летом. Почему? Воздух в шине охладился, объём шины почти не изменился, значит, давление упало. Летом, наоборот, шины нагреваются от дороги, и давление растёт (поэтому летом рекомендуется проверять давление, когда шины холодные).
2. Баллончик с газом (дезодорант или зажигалка) нельзя нагревать — он взорвётся. Почему? Объём баллончика постоянный, при нагреве давление внутри растёт так сильно, что стенки могут не выдержать.
Сравнительная таблица изопроцессов
Изотермический процесс (закон Бойля — Мариотта) | \(T = const\), \(m = const\): \(pV = const\).  Рис. \(1\). Изображение графиков изопроцессов (изотерм) |
| Изобарный процесс (закон Гей-Люссака) | \(p = const\), \(m = const\): \(\frac{V}{T} = const\).  Рис. \(2\). Изображение графиков изопроцессов (изобар) |
| Изохорный процесс (закон Шарля) | \(V = const\), \(m = const\): \(\frac{p}{T} = const\).  Рис. \(3\). Изображение графиков изопроцессов (изохор) |
Все эти графики и законы работают только для равновесных состояний.
Равновесное состояние — это когда температура и давление во всех точках газа одинаковы. Если ты резко сжал газ поршнем, он сначала нагреется у поршня, и температура по объёму будет разной. В этот момент газ неравновесен, и закон Бойля — Мариотта применять нельзя. Нужно подождать, пока температура не выровняется.
Процесс называют равновесным, если он проходит через цепочку равновесных состояний. На графиках мы изображаем только такие процессы.
Если ты резко дёрнешь скатерть со стола, посуда упадёт — это неравновесный процесс. Если ты будешь тянуть медленно и аккуратно, посуда останется на месте — это похоже на равновесный процесс.
Если ты резко дёрнешь скатерть со стола, посуда упадёт — это неравновесный процесс. Если ты будешь тянуть медленно и аккуратно, посуда останется на месте — это похоже на равновесный процесс.