الغاز المثالي – pV = nRT في أسطوانة
الفيزياءالفيزياء الحرارية والغازات17–18 سنة
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلتتحرك جزيئات الغاز عشوائيًا داخل أسطوانة مزوّدة بمكبس. اسحب المكبس لتغيير الحجم، وحرّك شريط درجة الحرارة لتسخين الغاز أو تبريده؛ فيتحدّث الضغط p = nRT/V فورًا مع منحنى الحالة (متساوي درجة الحرارة p–V، أو متساوي الحجم p–T، أو متساوي الضغط V–T) الذي يعرض المنحنى النظري وأثر الحالات التي مرّ بها الغاز. وتأخذ شاشة القانون الأول الغاز في تحولات متساوية درجة الحرارة أو متساوية الضغط أو متساوية الحجم أو كظيمة أو في دورة كاملة: زوّد الغاز بحرارة Q وشاهد الشغل مساحةً تحت منحنى p–V، وΔU = Q − W، وأشرطة الطاقة الحية، وكفاءة الدورة.
الدرس: النظرية الحركية للغازات، قانون بويل، قانون شارل، معادلة الحالة للغاز المثالي، القانون الأول للديناميكا الحرارية
ماذا تعرض
تربط معادلة الغاز المثالي pV = nRT بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة المطلقة وكمية الغاز. وفي النموذج الحركي ينشأ الضغط من اصطدام الجزيئات بالجدران، بقوة أكبر وبتكرار أكثر كلما كان الغاز أسخن؛ وتثبيت إحدى الكميات يعطي قانون بويل وقانون شارل وقانون الضغط. وتطبّق شاشة القانون الأول حفظ الطاقة: ΔU = Q − W حيث W الشغل الذي يبذله الغاز، أو ΔU = Q + W حيث W الشغل المبذول عليه. والشغل هو المساحة تحت منحنى p–V، وتتوزع الحرارة توزيعًا مختلفًا في التحولات الأربعة، وتحوّل الدورة المغلقة صافي الحرارة إلى صافي شغل.
طريقة الاستخدام
في شاشة «قوانين الغازات» اسحب المكبس، وغيّر «درجة الحرارة T»، واضغط «تبديل المنحنى». وفي شاشة «القانون الأول» اختر تحولًا وغازًا، واضبط «الحرارة Q» (أو «الحجم V₂» للتحولات الكظيمة والدورات)، والحالة الابتدائية T₁ وV₁، واصطلاح الإشارات. اضغط «▶ تشغيل التحول» لتشاهد الحالة تتحرك على منحنى p–V بينما تكبر المساحة المظللة وأشرطة Q وW وΔU؛ ويسرد الجدول كل خطوة.
المعاملات القابلة للتغيير
- كمية الغاز n 0.5–3 mol
- درجة الحرارة T 200–600 K
- الحجم V 5–40 L
- منحنى التحول متساوي درجة الحرارة: p–V, متساوي الحجم: p–T, متساوي الضغط: V–T
- الشاشة قوانين الغازات, القانون الأول للديناميكا الحرارية
- التحول (شاشة القانون الأول) متساوي درجة الحرارة (T ثابتة), متساوي الضغط (p ثابت), متساوي الحجم (V ثابت), كظيم (Q = 0), دورة: 2 متساوي الحجم + 2 متساوي الضغط, دورة أوتو (محرك البنزين)
- الحرارة Q المعطاة للغاز -3000–3000 J
- الحجم النهائي V₂ (كظيم، دورات) 2–60 L
- نوع الغاز غاز أحادي الذرة (He، Ar), غاز ثنائي الذرة (N₂، O₂)
- اصطلاح إشارة الشغل W = الشغل الذي يبذله الغاز: ΔU = Q − W, W = الشغل المبذول على الغاز: ΔU = Q + W
أسئلة للاستكشاف
- لماذا يجب أن تكون درجة الحرارة بالكلفن لا بالدرجات السيليزية عند استخدام pV = nRT؟
- في تحول متساوي الضغط، ماذا يحدث للحجم عند مضاعفة درجة الحرارة المطلقة؟
- باستخدام حركة الجزيئات، لماذا يزداد ضغط الغاز عند تسخينه بحجم ثابت؟
- لماذا يحتاج التمدد متساوي الضغط إلى حرارة أكبر من التسخين متساوي الحجم للارتفاع نفسه في درجة الحرارة؟
