Идеальный газ - Perfect gas

В физике и технике , идеальный газ представляет собой теоретическая модель газа , который отличается от реальных газов в конкретных путях , что делает некоторые вычисления проще в обращение. Во всех моделях идеального газа межмолекулярные силы не учитываются. Это означает, что можно пренебречь многими осложнениями, которые могут возникнуть из-за сил Ван-дер-Ваальса . Все модели идеального газа являются моделями идеального газа в том смысле, что все они следуют уравнению состояния идеального газа . Однако идея модели идеального газа часто используется как комбинация уравнения состояния идеального газа с конкретными дополнительными предположениями относительно изменения (или неизменности) теплоемкости с температурой.

Идеальная газовая номенклатура

Термины идеальный газ и идеальный газ иногда используются как синонимы, в зависимости от конкретной области физики и техники. Иногда делаются другие различия, например, между термически идеальным газом и калорийно совершенным газом , или между несовершенными, полуидеальными и идеальными газами, а также характеристиками идеальных газов. Два общих набора номенклатур приведены в следующей таблице.

Номенклатура 1 Номенклатура 2 Теплоемкость
при постоянной , , или константа ,
Закон идеального газа и

Калорийность идеальна Идеально Постоянный да
Термически идеальный Полуидеальный Т- зависимый да
Идеально Может или не может быть Т- зависимым да
Несовершенный Несовершенный или неидеальный T- и P- зависимые Нет

Термически и калорийно идеальный газ

Наряду с определением идеального газа, есть еще два упрощения, которые могут быть сделаны, хотя различные учебники либо опускают, либо объединяют следующие упрощения в общее определение «идеального газа».

Для фиксированного числа молей газа , A термически идеальный газ

  • находится в термодинамическом равновесии
  • не реагирует химически
  • имеет внутреннюю энергию , энтальпию и постоянную объем / постоянное давление теплоемкость , которые являются исключительно функциями температуры и не давление или объема , т.е. , , , . Эти последние выражения справедливы для всех крошечных изменений свойств и не ограничиваются постоянными или постоянными изменениями.

Калорийно идеальный газ

  • находится в термодинамическом равновесии
  • не реагирует химически
  • имеет внутреннюю энергию и энтальпию, которые зависят только от температуры, т. е. ,
  • имеет тепловые мощности , которые являются постоянными, т.е. , и , где это любое конечное (не дифференциальное ) изменение каждой величины.

Можно доказать, что идеальный газ (то есть удовлетворяющий уравнению состояния идеального газа ) либо калорически совершенен, либо термически совершенен. Это связано с тем, что внутренняя энергия идеального газа в лучшем случае зависит от температуры, как показывает термодинамическое уравнение

,

что в точности равно нулю, когда . Таким образом, и являются функциями только температуры для данного конкретного уравнения состояния .

Как из статистической механики, так и из более простой кинетической теории газов мы ожидаем, что теплоемкость одноатомного идеального газа будет постоянной, поскольку для такого газа только кинетическая энергия дает вклад во внутреннюю энергию с точностью до произвольной аддитивной константы , и, следовательно , константа. Более того, классическая теорема о равнораспределении предсказывает, что все идеальные газы (даже многоатомные) имеют постоянную теплоемкость при всех температурах. Однако теперь из современной теории квантовой статистической механики, а также из экспериментальных данных известно, что многоатомный идеальный газ, как правило, будет иметь тепловые вклады в его внутреннюю энергию, которые не являются линейными функциями температуры. Эти вклады обусловлены вкладом колебательных, вращательных и электронных степеней свободы по мере того, как они заселяются в зависимости от температуры в соответствии с распределением Больцмана . В этой ситуации мы обнаруживаем, что и . Но даже если теплоемкость строго зависит от температуры для данного газа, ее можно считать постоянной для целей расчета, если изменения температуры и теплоемкости не слишком велики, что привело бы к предположению о калорийно идеальном газе ( см. ниже).

Эти типы приближений полезны для моделирования, например, осевого компрессора, где колебания температуры обычно недостаточно велики, чтобы вызвать какие-либо существенные отклонения от модели термически идеального газа. В этой модели теплоемкость все еще может изменяться, но только в зависимости от температуры, и молекулам не разрешается диссоциировать. Последнее обычно подразумевает, что температура должна быть ограничена до <2500 К. Этот температурный предел зависит от химического состава газа и от того, насколько точными должны быть расчеты, поскольку диссоциация молекул может быть важна при более высокой или более низкой температуре, которая по сути своей зависит от молекулярной природы газа.

Еще более ограничен газ с идеальной теплотворной способностью, для которого, кроме того, предполагается, что теплоемкость постоянна. Хотя это может быть самая ограничивающая модель с точки зрения температуры, она может быть достаточно точной, чтобы делать разумные прогнозы в указанных пределах. Например, сравнение расчетов для одной ступени сжатия осевого компрессора (одной переменной и одной постоянной ) может дать достаточно небольшое отклонение, чтобы поддержать этот подход.

Кроме того, другие факторы вступают в игру и преобладают во время цикла сжатия, если они имеют большее влияние на окончательный расчетный результат, чем то, оставалось ли оно постоянным или нет . При моделировании осевого компрессора примеры этих реальных эффектов включают зазор между концом компрессора, разделение и потери в пограничном слое / на трение.

Смотрите также

использованная литература