8. Kaasun tilanmuutos vakiotilavuudessa tai vakiopaineessa

Question 1

Mitä tarkoittaa isokoorinen prosessi? Havainnollista kaasusäiliön avulla.

Answer 1

Isokoorinen prosessi on tilanmuutos, jossa kaasun tilavuus pysyy vakiona. Täten esimerkiksi kaasun paine ja termodynaaminen lämpötila muuttuvat.

Isokoorista prosessia voidaan tarkastella suljetun kaasusäiliön avulla. Kun kaasusäiliössä olevan kaasun lämpötila laskee, kaasun rakenneosasten lämpöliike hidastuu ja kaasun sisäenergia pienenee. Kaasumolekyylien keskimääräinen liike-energia pienenee, eli ne liikkuvat hitaammin. Kun tilavuus pysyy vakiona, kaasumolekyylien törmäykset toisiinsa ja säiliön seinämiin tapahtuvat harvemmin. Tällöin törmäyksien aiheuttama kokonaisvoima pienenee ja kaasun paine pienenee. (lämpötilan nousu päinvastoin)

Question 2

Mikä kaasulaki liittyy isokooriseen prosessiin?
Miten isokoorisia prosesseja kuvataan koordinaatistossa?

Answer 2

Isokoorisessa prosessissa tilavuus pysyy vakiona, ja kaasun termodynaaminen lämpötila sekä paine ovat suoraan verrannollisia. Kaasun paineen ja termodynaamisen lämpötilan välinen riippuvuus voidaan esittää kaasulakina, joka tunnetaan myös Charlesin lakina. Sen mukaan:
p/T=vakio, jolloin p1/T1=p2/T2
–> paineen ja termodynaamisen lämpötilan suhde on isokoorisessa prosessissa vakio

Isokoorisia prosesseja kuvaavia käyriä kutsutaan isokooreiksi (T,p). Isokoori nousee sitä jyrkemmin, mitä pienempi kaasun tilavuus on –> lämpötilan muutos vaikuttaa enemmän kaasun paineeseen.

Question 3

Miksi pakastimen ovea ei saa avattua heti sen sulkemisen jälkeen?

Answer 3

Kun pakastimen ovi laitetaan sen avaamisen jälkeen kiinni, pakastimeen päässyt huoneenlämpöinen ilma jäähtyy nopeasti. Kun pakastimen tilavuus pysyy vakiona, tapahtuu isokoorinen prosessi. Pakastimessa olevan kaasun, ilman, lämpötila laskee, jolloin myös sen paine pienenee (Charlesin laki). Täten pakastimeen muodostuu hetkellinen pieni alipaine. Pakastimen ulko- ja sisäpuolen paine-erot aiheuttavat pakastimen oveen kokonaisvoiman, joka estää pakastimen oven avaamisen.

Question 4

Mitä tarkoittaa isobaarinen prosessi? Miten riippuvuuksia kuvataan?

Answer 4

Kun kaasua lämmitetään, se laajenee. Lämpölaajeneminen on kaasuilla paljon voimakkaampaa, kuin kiinteillä aineilla tai nesteillä. Isobaarinen prosessi on tilanmuutos, jossa kaasun paine pysyy vakiona. Kaasun lämpötila nousee, tilavuus kasvaa ja tiheys pienenee.

Isobaarisessa prosessissa kaasun tilavuus ja lämpötila ovat suoraan verrannollisia. Kaasun tilavuuden ja lämpötilan välistä riippuvuutta voidaan kuvata kaasulakina, joka tunnetaan myös Gay-Lussacin lakina. Sen mukaan

V/T=vakio. eli V1/T1=V2/T2

Question 5

Miten isobaarisia prosesseja kuvataan koordinaatistossa?

Answer 5

Isobaarisia prosesseja kuvaavia käyriä kutsutaan isobaareiksi. Vakiopaineessa kaasun tilavuus on suoraan verrannollinen sen termodynaamiseen lämpötilaan.
Isobaari kulkee (T, V)-koordinaatistossa sitä jyrkemmin, mitä pienempi on kaasun paine –> lämpötilan muutos vaikuttaa kaasun tilavuuteen enemmän sen paineen ollessa alhainen.

Question 6

Mitä tarkoittaa absoluuttinen nollapiste? Mitä teoriassa tapahtuu?
Miten sen suuruus määritetään?

Answer 6

Absoluuttisella nollapisteellä tarkoitetaan alinta mahdollista lämpötilaa. Absoluuttisessa nollapisteessä aineen rakenneosasten lämpöliike teoriassa pysähtyy. Tällöin rakenneosaset eivät enää törmäile toisiinsa tai säiliön seinämiin, eli aineen paine on nolla.

Absoluuttista nollapistettä ei ole mahdollista saavuttaa, mutta sen arvo on voitu määrittää kokeellisesti kaasulakien avulla. Isobaarista ja isokoorista prosessia kuvaavat käyrät ovat origon kautta kulkevia suoria, joka viittaa siihen, että on olemassa alin mahdollinen lämpötila. Absoluuttisen nollapisteen kirjallisuusarvo on 0K eli -273,15 C. Tulos on kuitenkin epätarkka, sillä kaasulait pätevät tarkasti ainoastaan ideaalikaasuille.