Какъв е законът за идеалния газ?

Законът за идеалния газ е математическо уравнение, което можете да използвате за решаване на проблеми, свързани с температурата, обема и налягането на газовете. Въпреки че уравнението е приблизително, то е много добро и е полезно за широк спектър от условия. Той използва две тясно свързани форми, които отчитат количеството газ по различни начини.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Законът за идеалния газ е PV = nRT, където P = налягане, V = обем, n = брой молове газ, T е температура и R е константа на пропорционалност, обикновено 8.314. Уравнението ви позволява да решавате практически задачи с газове.

Справяте се с газове в ежедневието, като въздуха, който дишате, хелия в парти балон или метана, "природния газ", който използвате за готвене на храна. Тези вещества имат много сходни общи свойства, включително по начина, по който реагират на натиск и топлина. При много ниски температури обаче повечето реални газове се превръщат в течност. За сравнение идеалният газ е по-скоро полезна абстрактна идея, отколкото реално вещество; например, идеалният газ никога не се превръща в течност и няма ограничение за неговата свиваемост. Повечето реални газове обаче са достатъчно близки до идеалния газ, за ​​да можете да използвате закона за идеалния газ за решаване на много практически проблеми.

Уравненията на закона за идеалния газ имат налягане и обем от едната страна на знака на равенство и количество и температура от друга. Това означава, че произведението на налягането и обема остава пропорционално на произведението на количеството и температурата. Ако например увеличите температурата на фиксирано количество газ във фиксиран обем, налягането също трябва да се увеличи. Или, ако поддържате налягането постоянно, газът трябва да се разшири в по-голям обем.

За да използвате правилно закона за идеалния газ, трябва да използвате абсолютни мерни единици. Градусите по Целзий и Фаренхайт няма да работят, защото могат да преминат към отрицателни числа. Отрицателните температури в закона за идеалния газ ви дават отрицателно налягане или обем, които не могат да съществуват. Вместо това използвайте скалата на Келвин, която започва от абсолютна нула. Ако работите с английски единици и искате скала, свързана с Фаренхайт, използвайте скалата на Ранкин, която също започва от абсолютна нула.

Първата често срещана форма на уравнението за идеален газ е PV = nRT, където P е налягане, V е обем, n е броят на моловете газ, R е константа на пропорционалност, обикновено 8.314, а T е температура. За метричната система използвайте паскали за налягане, кубични метри за обем и келвини за температура. Да вземем един пример, 1 мол хелиев газ при 300 келвина (стайна температура) е под 101 килопаскала налягане (налягане на морското равнище). Колко обем заема? Вземете PV = nRT и разделете двете страни на P, оставяйки V от само себе си от лявата страна. Уравнението става V = nRT ÷ P. Един мол (n) по 8,314 (R) по 300 келвина (T), разделен на 101 000 паскала (P), дава 0,0247 кубически метра обем или 24,7 литра.

В часовете по природни науки друга често срещана форма на уравнение за идеален газ, която ще видите, е PV = NkT. Големият "N" е броят на частиците (молекули или атоми), а k е константата на Болцман, число, което ви позволява да използвате броя на частиците вместо моловете. Имайте предвид, че за хелий и други благородни газове използвате атоми; за всички останали газове използвайте молекули. Използвайте това уравнение по почти същия начин като предишното. Например, 1-литров резервоар побира 10²³ молекули азот. Ако намалите температурата до охлаждащи костите 200 келвини, какво е налягането на газа в резервоара? Вземете PV = NkT и разделете двете страни на V, оставяйки P само по себе си. Уравнението става P = NkT ÷ V. Умножете 10²³ молекули (N) по константата на Болцман (1,38 х 10^-23), умножете по 200 келвина (Т) и след това разделете на 0,001 кубически метра (1 литър), за да получите налягането: 276 килопаскала.