Gas Ideal

GAS IDEAL

Sebuah gas ideal adalah teori gas yang terdiri dari satu set bergerak-acak, non-berinteraksi titik partikel .Konsep gas ideal berguna karena mematuhi hukum gas ideal, yang disederhanakan, dan setuju untuk analisis dalam.

Pada kondisi normal seperti suhu dan tekanan standar, paling nyata gas berperilaku kualitatif seperti gas ideal.Banyak gas seperti udara, nitrogen, oksigen, hidrogen, gas mulia, dan beberapa gas yang lebih berat seperti karbon dioksida dapat diperlakukan seperti gas ideal dalam toleransi yang wajar. Secara umum, gas berperilaku seperti gas ideal pada tinggi suhu dan rendah density (yaitu lebih rendah tekanan), sebagai pekerjaan yang dilakukan oleh gaya antarmolekul menjadi kurang signifikan dibandingkan dengan partikel ' energi kinetik, dan ukuran molekul menjadi kurang signifikan dibandingkan dengan ruang kosong di antara mereka.

Model gas ideal cenderung gagal pada suhu rendah atau tekanan yang lebih tinggi, ketika pasukan antarmolekul dan ukuran molekul menjadi penting. Hal ini juga gagal untuk gas berat kebanyakan, seperti banyak refrigeran , dan untuk gas dengan pasukan antarmolekul yang kuat, terutama uap air. Pada beberapa titik suhu rendah dan tekanan tinggi, gas nyata menjalani fase transisi, seperti ke sebuah cairan atau padat.Model gas ideal, bagaimanapun, tidak menggambarkan atau mengizinkan transisi fase.Ini harus dimodelkan dengan lebih kompleks persamaan umum.

Model gas ideal telah dieksplorasi di kedua dinamika newton (seperti dalam " teori kinetik") dan dalam mekanika kuantum (sebagai " gas dalam kotak"). Model gas ideal juga telah digunakan untuk model perilaku elektron dalam logam (dalam model yang drude dan model elektron bebas), dan itu adalah salah satu model yang paling penting dalam mekanika statik.

Jenis-jenis gas ideal

Ada tiga kelas dasar gas ideal:

• klasik atau Maxwell-Boltzmann gas ideal,
• kuantum yang ideal Bose gas , terdiri dari boson , dan
• kuantum yang ideal Fermi gas , terdiri dari fermion .

Gas ideal klasik dapat dipisahkan menjadi dua jenis: The gas ideal klasik termodinamika dan gas kuantum yang ideal Boltzmann. Keduanya pada dasarnya sama, kecuali bahwa gas termodinamika klasik yang ideal didasarkan pada klasik mekanika statistik , dan parameter termodinamika tertentu seperti entropi hanya ditentukan ke dalam aditif belum ditentukan konstan. Kuantum yang ideal Boltzmann gas mengatasi keterbatasan ini dengan mengambil limit dari kuantum Bose gas dan kuantum gas Fermi dalam batas suhu tinggi untuk menentukan konstanta ini aditif. Perilaku gas Boltzmann kuantum adalah sama seperti yang dilakukan oleh gas ideal klasik kecuali untuk spesifikasi konstanta ini. Hasil dari gas Boltzmann kuantum digunakan dalam sejumlah kasus termasuk persamaan Sackur-tetrode untuk entropi gas ideal dan ionisasi persamaan Saha untuk lemah terionisasi plasma .

gas ideal klasik termodinamika

Sifat termodinamika The gas ideal dapat dijelaskan oleh dua persamaan: The persamaan keadaan dari gas ideal klasik adalah hukum gas ideal

Persamaan ini berasal dari Hukum Boyle: (Pada T konstan dan n); Hukum Charles: (Pada P konstan dan n), dan Hukum Avogadro: (Pada T konstan dan P). Dengan menggabungkan tiga hukum, itu akan menunjukkan bahwa yang

berarti bahwa . Dalam kondisi ideal, atau lebih tepatnya

. The energi internal gas ideal diberikan oleh:

dimana

·         P adalah tekanan

·         V adalah volume yang

·         n adalah jumlah zat gas (dalam mol)

·         R adalah konstanta gas (8,314 J · K^-1mol^-1)

·         T adalah temperatur absolut

·         k adalah konstanta yang digunakan dalam Hukum Boyle

·         b adalah proporsionalitas konstan; sama dengan V / T

·         adalah proporsionalitas konstan; sama dengan V / n

·         U adalah energi internal

·         adalah berdimensi spesifik kapasitas panas pada volume konstan, ≈ 3/2 untuk gas monoatomik , 5/2 untuk diatomik gas dan 3 untuk molekul yang lebih kompleks.

Jumlah gas di J · K^-1 adalah

dimana

·         N adalah jumlah partikel gas

·         adalah konstanta Boltzmann (1.381 × 10 ^-23 J · K ^-1).

Distribusi probabilitas dari partikel dengan kecepatan atau energi yang diberikan oleh distribusi Boltzmann .

Hukum gas ideal merupakan perpanjangan dari eksperimen menemukan hukum gas . Nyata cairan di low density dan tinggi suhu mendekati perilaku gas ideal klasik. Namun, di bawah suhu tinggi atau kepadatan , cairan nyata menyimpang kuat dari perilaku gas ideal, terutama karena mengembun dari gas menjadi cair atau padat. Penyimpangan ini dinyatakan sebagai faktor kompresibilitas .

Model gas ideal tergantung pada asumsi sebagai berikut:

·         Molekul-molekul gas yang bisa dibedakan, kecil, bola keras

·         Semua tumbukan elastis dan gerak semua gesekan (tanpa kehilangan energi dalam gerakan atau tabrakan)

·         Hukum Newton berlaku

·         Jarak rata-rata antara molekul jauh lebih besar dari ukuran molekul

·         Molekul-molekul selalu bergerak dalam arah acak dengan distribusi kecepatan

·         Tidak ada kekuatan menarik atau tolak antara molekul atau lingkungan

Asumsi partikel berbentuk bola sangat diperlukan agar tidak ada mode rotasi diperbolehkan, tidak seperti dalam gas diatomik. Berikut tiga asumsi yang sangat terkait: molekul sulit, tabrakan yang elastis, dan tidak ada antar-molekul pasukan. Asumsi bahwa ruang antara partikel jauh lebih besar daripada partikel itu sendiri adalah sangat penting, dan menjelaskan mengapa pendekatan gas ideal gagal pada tekanan tinggi.