Зміст
- TL; DR (Занадто довго; Не читав)
- Тиск повітря та об'єм: закон хлопців
- Температура та об'єм повітря: Закон Чарльза
- Тиск, температура та об'єм: Закон про комбінований газ
- Закон про ідеальний газ
Уявіть, що ви дайвіст, і вам потрібно розрахувати повітряну ємність вашого танка. Або уявіть, що ви підірвали повітряну кулю до певного розміру, і вам цікаво, який тиск усередині повітряної кулі. Або припустимо, ви порівнюєте часи приготування звичайної духовки та тостера. З чого ви починаєте?
Усі ці питання пов'язані з об'ємом повітря та співвідношенням тиску повітря, температури та об'єму. І так, вони пов’язані! На щастя, існує низка наукових законів, вже розроблених для вирішення цих відносин. Ви просто повинні навчитися їх застосовувати. Ми називаємо ці закони Газовими Законами.
TL; DR (Занадто довго; Не читав)
The Газові закони є:
Закон хлопців: P1V1 = Р2V2.
Закон Чарльза: П1 ÷ Т1 = Р2 ÷ T2, де Т в Кельвіні.
Закон про комбінований газ: П1V1 ÷ T1 = Р2V2 ÷ T2, де Т в Кельвіні.
Закон про ідеальний газ: PV = nRT, (вимірювання в одиницях СІ).
Тиск повітря та об'єм: закон хлопців
Закон Бойлса визначає залежність між об'ємом газу та його тиском. Подумайте про це: якщо ви візьмете коробку, повну повітря, а потім натисніть її до половини свого розміру, молекули повітря матимуть менше місця для переміщення і будуть натикатися один на одного набагато більше. Ці зіткнення молекул повітря між собою та з боків ємності створюють тиск повітря.
Закон хлопців не враховує температуру, тому температура повинна бути постійною для того, щоб ним скористатися.
Закон хлопців стверджує, що при постійній температурі об'єм певної маси (або кількості) газу змінюється обернено в залежності від тиску.
У формі рівняння:
П1 х V1 = Р2 х V2
де Р1 і V1 - початковий об'єм і тиск і P2 і V2 - це новий об'єм і тиск.
Приклад: Припустимо, ви проектуєте аквалангу, де тиск повітря становить 3000 фунтів на квадратний дюйм, а об'єм (або "ємність") ємності становить 70 кубічних футів. Якщо ви вирішите скоріше зробити бак з більш високим тиском 3500 фунт / кв.дюйм, який би був об'єм бака, якщо припустити, що ви наповните його такою ж кількістю повітря і підтримуєте температуру однаковою?
Підключіть задані значення до Закону Бойлса:
3000 фунтів на дюйм 70 футів3 = 3500 psi x V2
Спростіть, а потім ізолюйте змінну на одній стороні рівняння:
210 000 фунтів стерлінгів на фут3 = 3500 psi x V2
(210 000 фунтів / кв.дюйм футів3 ) ÷ 3500 psi = V2
60 футів3 = V2
Тож друга версія вашого аквалангу склала б 60 кубічних футів.
Температура та об'єм повітря: Закон Чарльза
Як щодо співвідношення між об'ємом і температурою? Більш високі температури змушують молекули прискорюватись, стикаючись все сильніше і важче зі сторонами контейнера і висуваючи його назовні. Чарльз Лоу дає математику для цієї ситуації.
Закон Чарльза констатує, що при постійному тиску об'єм даної маси (кількості) газу прямо пропорційний його (абсолютній) температурі.
Або V1 ÷ T1 = V2 ÷ T2.
Для Чарльза Лоу тиск повинен бути постійним, а температуру слід вимірювати в Кельвіні.
Тиск, температура та об'єм: Закон про комбінований газ
А що робити, якщо у вас однаковий тиск, температура і об'єм в одній проблемі? Для цього теж є правило. The Закон про комбінований газ бере інформацію з Закону Бойлса та Чарлза Лоу і з'єднує їх, щоб визначити ще один аспект співвідношення тиск-температура-об'єм.
The Закон про комбінований газ зазначає, що об'єм даної кількості газу пропорційний співвідношенню його температури Кельвіна та його тиску. Це звучить складно, але подивіться на рівняння:
П1V1 ÷ T1 = Р2V2 ÷ T2.
Знову температуру слід вимірювати в Кельвіні.
Закон про ідеальний газ
Одним з остаточних рівнянь, що стосуються цих властивостей газу, є Закон про ідеальний газ. Закон задається наступним рівнянням:
PV = nRT,
де P = тиск, V = об'єм, n = кількість молей, R - значення універсальна константа газу, що дорівнює 0,0821 L-атм / моль-K, а T - температура в Кельвіні. Для того щоб виправити всі одиниці правильними, вам потрібно перетворитись у Одиниці СІ, стандартні одиниці вимірювання в науковій спільноті. Для об'єму, що літри; для тиску, атм; а для температури Келвін (n, кількість молей, вже в одиницях СІ).
Цей закон називається "ідеальним" законом про газ, оскільки передбачає, що розрахунки стосуються газів, які відповідають правилам. В екстремальних умовах, як-от надзвичайно гаряче чи холодне, деякі гази можуть діяти інакше, ніж запропонував би Закон про ідеальний газ, але в цілому можна припустити, що ваші розрахунки з використанням закону будуть правильними.
Тепер ви знаєте кілька способів розрахунку об’єму повітря за різних обставин.