Indhold
- TL; DR (for lang; læste ikke)
- Lufttryk og volumen: Boyles Law
- Lufttemperatur og -volumen: Charles Law
- Tryk, temperatur og volumen: loven om kombineret gas
- Den ideelle gaslov
Forestil dig, at du er en dykker, og du skal beregne luftens kapacitet på din tank. Eller forestil dig, at du har sprængt en ballon til en bestemt størrelse, og du spekulerer på, hvordan trykket er inden i ballonen. Eller forestil dig, at du sammenligner tilberedningstiderne til en almindelig ovn og en brødristerovn. Hvor starter du?
Alle disse spørgsmål har at gøre med luftmængden og forholdet mellem lufttryk, temperatur og volumen. Og ja, de er beslægtede! Heldigvis er der en række videnskabelige love, der allerede er udarbejdet for at håndtere disse forhold. Du skal bare lære at anvende dem. Vi kalder disse love gaslovene.
TL; DR (for lang; læste ikke)
Det Gaslove er:
Boyles Law: P1V1 = P2V2.
Charles Law: P1 ÷ T1 = P2 ÷ T2, hvor T er i Kelvin.
Kombineret gaslov: P1V1 ÷ T1 = P2V2 ÷ T2, hvor T er i Kelvin.
Ideel gaslov: PV = nRT, (målinger i SI-enheder).
Lufttryk og volumen: Boyles Law
Boyles Law definerer forholdet mellem et gasvolumen og dets pres. Tænk på dette: Hvis du tager en kasse fuld af luft og derefter trykker den ned til halvdelen af dens størrelse, vil luftmolekylerne have mindre plads til at bevæge sig rundt og vil støde på hinanden meget mere. Disse kollisioner af luftmolekyler med hinanden og med siderne af beholderen er det, der skaber lufttryk.
Boyles Law tager ikke temperatur med i betragtning, så temperaturen skal være konstant for at bruge det.
Boyles Law angiver, at ved en konstant temperatur varierer volumen af en bestemt masse (eller mængde) gas omvendt med trykket.
I ligningsform er det:
P1 x V1 = P2 x V2
hvor P1 og V1 er initialvolumen og tryk og P2 og V2 er den nye lydstyrke og tryk.
Eksempel: Antag, at du designer en scuba-tank, hvor lufttrykket er 3000 psi (pund pr. Kvadrat tomme) og volumen (eller "kapaciteten") af tanken er 70 kubikfod. Hvis du beslutter dig for at hellere lave en tank med et højere tryk på 3500 psi, hvad ville volumen af tanken være, hvis du antager, at du fylder den med den samme mængde luft og holder temperaturen den samme?
Sæt de givne værdier i Boyles Law:
3000 psi x 70 ft3 = 3500 psi x V2
Forenkle og isoler derefter variablen på den ene side ligningen:
210.000 psi x ft3 = 3500 psi x V2
(210.000 psi x ft3 ) ÷ 3500 psi = V2
60 ft3 = V2
Så den anden version af din scuba tank ville være 60 kubikfod.
Lufttemperatur og -volumen: Charles Law
Hvad med forholdet mellem volumen og temperatur? Højere temperaturer får molekylerne til at fremskynde og kolliderer hårdere og sværere med siderne af deres beholder og skubber den udad. Charles Law giver matematik for denne situation.
Charles Law angiver, at ved et konstant tryk er volumenet af en given masse (mængde) gas direkte proportional med dens (absolutte) temperatur.
Eller V1 ÷ T1 = V2 ÷ T2.
For Charles Law skal trykket holdes konstant, og temperaturen skal måles i Kelvin.
Tryk, temperatur og volumen: loven om kombineret gas
Hvad nu, hvis du har tryk, temperatur og volumen sammen i samme problem? Der er også en regel for det. Det Kombineret gaslov tager informationerne fra Boyles Law og Charles Law og sammenlægger dem sammen for at definere et andet aspekt af forholdet mellem tryk og temperatur / volumen.
Det Kombineret gaslov angiver, at volumen af en given mængde gas er proportional med forholdet mellem dens Kelvin-temperatur og dens tryk. Det lyder kompliceret, men kig på ligningen:
P1V1 ÷ T1 = P2V2 ÷ T2.
Igen skal temperaturen måles i Kelvin.
Den ideelle gaslov
En sidste ligning, der vedrører disse gasegenskaber, er Ideel gaslov. Loven er givet ved følgende ligning:
PV = nRT,
hvor P = tryk, V = volumen, n = antal mol, R er den universal gas konstant, hvilket er lig med 0,0821 L-atm / mol-K, og T er temperaturen i Kelvin. For at få alle enhederne korrekte, skal du konvertere til SI-enheder, de normale måleenheder inden for det videnskabelige samfund. For volumen, det er liter; for tryk, atm; og for temperatur er Kelvin (n, antallet af mol, allerede i SI-enheder).
Denne lov kaldes den "ideelle" gaslov, fordi den antager, at beregningerne vedrører gasser, der følger reglerne. Under ekstreme forhold, som ekstrem varmt eller koldt, kan nogle gasser fungere anderledes, end den ideelle gaslov antyder, men det er generelt sikkert at antage, at dine beregninger, der bruger loven, vil være korrekte.
Nu ved du adskillige måder at beregne luftvolumen på under forskellige omstændigheder.