ما هو قانون الغاز المثالي؟

قانون الغاز المثالي هو معادلة رياضية يمكنك استخدامها لحل المشكلات المتعلقة بدرجة حرارة الغازات وحجمها وضغطها. على الرغم من أن المعادلة تقريبية ، إلا أنها جيدة جدًا ومفيدة لمجموعة كبيرة من الشروط. يستخدم شكلين وثيقين الصلة بحساب كمية الغاز بطرق مختلفة.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

قانون الغاز المثالي هو PV = nRT ، حيث P = الضغط ، V = الحجم ، n = عدد مولات الغاز ، T هي درجة الحرارة و R ثابت التناسب ، عادة 8.314. تتيح لك المعادلة حل المشكلات العملية المتعلقة بالغازات.

أنت تتعامل مع الغازات في الحياة اليومية ، مثل الهواء الذي تتنفسه ، والهليوم في بالون الحفلة أو الميثان ، و "الغاز الطبيعي" الذي تستخدمه لطهي الطعام. تشترك هذه المواد في خصائص متشابهة جدًا ، بما في ذلك الطريقة التي تستجيب بها للضغط والحرارة. ومع ذلك ، في درجات حرارة منخفضة للغاية ، تتحول معظم الغازات الحقيقية إلى سائل. بالمقارنة ، يعتبر الغاز المثالي فكرة مجردة مفيدة أكثر من كونه مادة حقيقية ؛ على سبيل المثال ، لا يتحول الغاز المثالي أبدًا إلى سائل ، ولا يوجد حد لانضغاطه. ومع ذلك ، فإن معظم الغازات الحقيقية قريبة بدرجة كافية من الغاز المثالي بحيث يمكنك استخدام قانون الغاز المثالي لحل العديد من المشكلات العملية.

تحتوي معادلات قانون الغاز المثالي على الضغط والحجم على جانب واحد من علامة التساوي والكمية ودرجة الحرارة على الجانب الآخر. هذا يعني أن ناتج الضغط والحجم يبقى متناسبًا مع منتج الكمية ودرجة الحرارة. إذا قمت ، على سبيل المثال ، بزيادة درجة حرارة كمية ثابتة من الغاز في حجم ثابت ، فيجب أيضًا زيادة الضغط. أو إذا حافظت على ثبات الضغط ، يجب أن يتمدد الغاز إلى حجم أكبر.

لاستخدام قانون الغاز المثالي بشكل صحيح ، يجب عليك استخدام وحدات درجة حرارة مطلقة. لن تعمل الدرجات المئوية والفهرنهايت لأنها يمكن أن تذهب إلى الأرقام السالبة. تمنحك درجات الحرارة السلبية في قانون الغاز المثالي ضغطًا أو حجمًا سلبيًا لا يمكن أن يوجد. بدلاً من ذلك ، استخدم مقياس كلفن ، الذي يبدأ من الصفر المطلق. إذا كنت تعمل بوحدات اللغة الإنجليزية وتريد مقياسًا متعلقًا بالفهرنهايت ، فاستخدم مقياس رانكين ، والذي يبدأ أيضًا من الصفر المطلق.

أول شكل شائع لمعادلة الغاز المثالي هو ، PV = nRT ، حيث P هو الضغط ، V هو الحجم ، n هو عدد مولات الغاز ، R ثابت التناسب ، عادةً 8.314 ، و T هي درجة الحرارة. بالنسبة للنظام المتري ، استخدم الباسكال للضغط والمتر المكعب للحجم وكلفن لدرجة الحرارة. لنأخذ مثالاً واحدًا ، 1 مول من غاز الهيليوم عند 300 كلفن (درجة حرارة الغرفة) أقل من 101 كيلو باسكال من الضغط (ضغط مستوى سطح البحر). كم الحجم الذي تشغله؟ خذ PV = nRT ، واقسم كلا الجانبين على P ، تاركًا V وحده على الجانب الأيسر. تصبح المعادلة V = nRT ÷ P. واحد مول (ن) مضروبًا في 8.314 (R) مضروبًا في 300 كلفن (T) مقسومًا على 101000 باسكال (P) يعطي 0.0247 مترًا مكعبًا من الحجم ، أو 24.7 لترًا.

في فصول العلوم ، سترى نموذجًا شائعًا آخر لمعادلة الغاز المثالي هو PV = NkT. "N" الكبير هو عدد الجسيمات (الجزيئات أو الذرات) ، و k هو ثابت بولتزمان ، وهو رقم يتيح لك استخدام عدد الجسيمات بدلاً من المولات. لاحظ أنه بالنسبة للهيليوم والغازات النبيلة الأخرى ، فأنت تستخدم الذرات ؛ لجميع الغازات الأخرى ، استخدم الجزيئات. استخدم هذه المعادلة بنفس طريقة المعادلة السابقة. على سبيل المثال ، خزان سعة 1 لتر يستوعب 10²³ جزيئات النيتروجين. إذا خفضت درجة الحرارة إلى 200 كلفن تقشعر لها الأبدان ، فما هو ضغط الغاز في الخزان؟ خذ PV = NkT واقسم كلا الجانبين على V ، تاركًا P في حد ذاته. تصبح المعادلة P = NkT ÷ V. اضرب 10²³ جزيئات (N) بثابت بولتزمان (1.38 × 10^-23) ، اضرب في 200 كلفن (T) ثم اقسم على 0.001 متر مكعب (1 لتر) للحصول على الضغط: 276 كيلو باسكال.