تخيل أنك غواص ، وتحتاج إلى حساب سعة الهواء لخزانتك. أو تخيل أنك فجرت بالونًا إلى حجم معين ، وأنت تتساءل عن شكل الضغط داخل البالون. أو افترض أنك تقارن أوقات الطهي لفرن عادي وفرن محمصة. من أين تبدأ؟
كل هذه الأسئلة تتعلق بحجم الهواء والعلاقة بين ضغط الهواء ودرجة الحرارة والحجم. ونعم ، هم مرتبطين! لحسن الحظ ، هناك عدد من القوانين العلمية التي تم وضعها بالفعل للتعامل مع هذه العلاقات. عليك فقط أن تتعلم كيفية تطبيقها. نسمي هذه القوانين قوانين الغاز.
ضغط الهواء وحجمه: قانون بويل
يحدد قانون بويل العلاقة بين حجم الغاز وضغطه. فكر في هذا: إذا أخذت صندوقًا مليئًا بالهواء ثم ضغطت عليه إلى نصف حجمه ، فسيكون لجزيئات الهواء مساحة أقل للتنقل وستصطدم ببعضها البعض أكثر من ذلك بكثير. هذه الاصطدامات لجزيئات الهواء مع بعضها البعض ومع جوانب الحاوية هي التي تولد ضغط الهواء.
لا يأخذ قانون Boyle درجة الحرارة في الاعتبار ، لذا فإنيجب أن تكون درجة الحرارة ثابتةمن أجل استخدامه.
قانون بويلتنص على أنه عند درجة حرارة ثابتة ، يختلف حجم كتلة (أو كمية) معينة من الغاز عكسيًا مع الضغط.
في صيغة المعادلة ، هذا هو:
P_1V_1 = P_2V_2
أين ص1 و V.1 هي الحجم والضغط الأولي و P.2 و V.2 هي الحجم والضغط الجديدان.
مثال: لنفترض أنك تصمم خزانًا للغطس حيث يكون ضغط الهواء 3000 رطل لكل بوصة مربعة وحجم (أو "السعة") للخزان 70 قدمًا مكعبة. إذا قررت أنك تفضل عمل خزان بضغط أعلى يبلغ 3500 رطل / بوصة مربعة ، فما حجم الخزان ، على افتراض أنك تملأه بنفس كمية الهواء وتحافظ على درجة الحرارة كما هي؟
أدخل القيم المعطاة في قانون بويل:
3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ times V_2
بسّط ثم اعزل المتغير على أحد طرفي المعادلة وحل من أجل V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
لذا فإن الإصدار الثاني من خزان الغوص الخاص بك سيكون 60 قدمًا مكعبًا.
درجة حرارة الهواء وحجمه: قانون تشارلز
ماذا عن العلاقة بين الحجم ودرجة الحرارة؟ تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع الجزيئات ، وتصطدم بجوانب الحاوية الخاصة بها بشكل أقوى وأصعب مما يدفعها إلى الخارج. يعطي قانون تشارلز الحساب لهذا الموقف.
قانون تشارلزينص على أنه عند ضغط ثابت ، فإن حجم كتلة معينة (كمية) من الغاز يتناسب طرديًا مع درجة حرارته (المطلقة).
أو:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
بالنسبة لقانون تشارلز ، يجب أن يظل الضغط ثابتًا ، ويجب قياس درجة الحرارة بالكلفن.
الضغط ودرجة الحرارة والحجم: قانون الغاز المشترك
الآن ، ماذا لو كان لديك ضغط ودرجة حرارة وحجم معًا في نفس المشكلة؟ هناك قاعدة لذلك أيضًا. القانون الغاز المشتركيأخذ المعلومات من قانون بويل وقانون تشارلز ويجمعهما معًا لتحديد جانب آخر من العلاقة بين الضغط ودرجة الحرارة والحجم.
القانون الغاز المشتركينص على أن حجم كمية معينة من الغاز يتناسب مع نسبة درجة حرارة كلفن وضغطه. هذا يبدو معقدًا ، لكن ألق نظرة على المعادلة:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
مرة أخرى ، يجب قياس درجة الحرارة بوحدة كلفن.
قانون الغاز المثالي
معادلة أخيرة تتعلق بخصائص الغاز هذه هيقانون الغاز المثالي. القانون معطى بالمعادلة التالية:
PV = nRT
حيث P = الضغط ، V = الحجم ، n = عدد المولات ، R هيثابت الغاز العالمي، والتي تساوي 0.0821 L-atm / mole-K ، و T هي درجة الحرارة بالكلفن. لتصحيح جميع الوحدات ، ستحتاج إلى التحويل إلىوحدات SI، وحدات القياس القياسية داخل المجتمع العلمي. بالنسبة للحجم ، هذا لتر ؛ للضغط ، أجهزة الصراف الآلي ؛ وبالنسبة لدرجة الحرارة ، كلفن (n ، عدد المولات ، موجود بالفعل بوحدات النظام الدولي للوحدات).
يسمى هذا القانون قانون الغاز "المثالي" لأنه يفترض أن الحسابات تتعامل مع الغازات التي تتبع القواعد. في ظل الظروف القاسية ، مثل الحرارة الشديدة أو البرودة الشديدة ، قد تعمل بعض الغازات بشكل مختلف عن الغاز المثالي قد يقترح القانون ، ولكن بشكل عام من الآمن افتراض أن حساباتك باستخدام القانون ستكون كذلك صيح.
أنت الآن تعرف عدة طرق لحساب حجم الهواء في ظل ظروف متنوعة.