Φανταστείτε ότι είστε αυτοδύτης και πρέπει να υπολογίσετε την χωρητικότητα αέρα της δεξαμενής σας. Ή φανταστείτε ότι έχετε ανατινάξει ένα μπαλόνι σε ένα συγκεκριμένο μέγεθος και αναρωτιέστε πώς είναι η πίεση μέσα στο μπαλόνι. Ή ας υποθέσουμε ότι συγκρίνετε τους χρόνους μαγειρέματος ενός κανονικού φούρνου και ενός φρυγανιέρα. Από πού ξεκινάς;
Όλες αυτές οι ερωτήσεις έχουν να κάνουν με τον όγκο του αέρα και τη σχέση μεταξύ της πίεσης του αέρα, της θερμοκρασίας και του όγκου. Και ναι, σχετίζονται! Ευτυχώς, υπάρχουν αρκετοί επιστημονικοί νόμοι που έχουν ήδη επεξεργαστεί για την αντιμετώπιση αυτών των σχέσεων. Απλά πρέπει να μάθετε πώς να τα εφαρμόζετε. Καλούμε αυτούς τους νόμους τους νόμους για το φυσικό αέριο.
Πίεση και όγκος αέρα: Νόμος του Boyle
Ο νόμος του Boyle ορίζει τη σχέση μεταξύ όγκου αερίου και πίεσης. Σκεφτείτε το: Εάν πάρετε ένα κουτί γεμάτο αέρα και το πιέσετε μέχρι το μισό του μέγεθός του, τα μόρια του αέρα θα έχουν λιγότερο χώρο για να μετακινηθούν και θα συγκρουστούν πολύ μεταξύ τους. Αυτές οι συγκρούσεις μορίων αέρα μεταξύ τους και με τις πλευρές του δοχείου είναι αυτές που δημιουργούν πίεση αέρα.
Ο νόμος του Boyle δεν λαμβάνει υπόψη τη θερμοκρασία, έτσιη θερμοκρασία πρέπει να είναι σταθερήγια να το χρησιμοποιήσετε.
Ο νόμος του Boyleδηλώνει ότι, σε σταθερή θερμοκρασία, ο όγκος μίας συγκεκριμένης μάζας (ή ποσότητας) αερίου ποικίλλει αντίστροφα με την πίεση.
Σε μορφή εξίσωσης, αυτό είναι:
P_1V_1 = P_2V_2
όπου P1 και V1 είναι ο αρχικός όγκος και πίεση και P2 και V2 είναι ο νέος όγκος και πίεση.
Παράδειγμα: Ας υποθέσουμε ότι σχεδιάζετε μια δεξαμενή σκαφάνδρων όπου η πίεση του αέρα είναι 3000 psi (λίβρες ανά τετραγωνική ίντσα) και ο όγκος (ή η «χωρητικότητα») της δεξαμενής είναι 70 κυβικά πόδια. Εάν αποφασίσετε ότι θα προτιμούσατε να φτιάξετε μια δεξαμενή με υψηλότερη πίεση 3500 psi, ποια θα ήταν η ένταση του ρεζερβουάρ, υποθέτοντας ότι το γεμίζετε με την ίδια ποσότητα αέρα και διατηρείτε την θερμοκρασία ίδια;
Συνδέστε τις δεδομένες τιμές στον νόμο του Boyle:
3000 \ κείμενο {psi} \ φορές 70 \ κείμενο {ft} ^ 3 = 3500 \ κείμενο {psi} \ φορές V_2
Απλοποιήστε και, στη συνέχεια, απομονώστε τη μεταβλητή από τη μία πλευρά της εξίσωσης και λύστε το V2:
V_2 = \ frac {3000 \ κείμενο {psi} \ φορές 70 \ κείμενο {ft} ^ 3} {3500 \ κείμενο {psi}} = 60 \ κείμενο {ft} ^ 3
Έτσι, η δεύτερη έκδοση της δεξαμενής σκαφάνδρων θα είναι 60 κυβικά πόδια.
Θερμοκρασία και όγκος αέρα: Νόμος του Καρόλου
Τι γίνεται με τη σχέση μεταξύ όγκου και θερμοκρασίας; Οι υψηλότερες θερμοκρασίες κάνουν τα μόρια να επιταχύνουν, συγκρούονται όλο και πιο σκληρά με τις πλευρές του δοχείου τους και ωθούν το προς τα έξω. Ο νόμος του Καρόλου δίνει τα μαθηματικά για αυτήν την κατάσταση.
Ο νόμος του Καρόλουδηλώνει ότι σε σταθερή πίεση, ο όγκος μιας δεδομένης μάζας (ποσότητα) αερίου είναι άμεσα ανάλογος με την (απόλυτη) θερμοκρασία του.
Ή:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
Για τον νόμο του Καρόλου, η πίεση πρέπει να διατηρείται σταθερή και η θερμοκρασία πρέπει να μετράται στο Kelvin.
Πίεση, θερμοκρασία και όγκος: Ο νόμος συνδυασμένου αερίου
Τώρα, τι γίνεται αν έχετε πίεση, θερμοκρασία και όγκο μαζί στο ίδιο πρόβλημα; Υπάρχει και ένας κανόνας για αυτό. οΝόμος για το συνδυασμένο φυσικό αέριοπαίρνει τις πληροφορίες από το Boyle's Law και τον Charles Law και τις συνδυάζει για να καθορίσει μια άλλη πτυχή της σχέσης πίεσης-θερμοκρασίας-όγκου.
οΝόμος για το συνδυασμένο φυσικό αέριοδηλώνει ότι ο όγκος μιας δεδομένης ποσότητας αερίου είναι ανάλογος με την αναλογία της θερμοκρασίας Kelvin και της πίεσης του. Αυτό ακούγεται περίπλοκο, αλλά ρίξτε μια ματιά στην εξίσωση:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
Και πάλι, η θερμοκρασία πρέπει να μετρηθεί σε Kelvin.
Ο ιδανικός νόμος για το φυσικό αέριο
Μια τελική εξίσωση που σχετίζεται με αυτές τις ιδιότητες ενός αερίου είναι ηΙδανικός νόμος για το φυσικό αέριο. Ο νόμος δίνεται από την ακόλουθη εξίσωση:
PV = nRT
όπου P = πίεση, V = όγκος, n = αριθμός γραμμομορίων, το R είναι τογενική σταθερά αερίου, που ισούται με 0,0821 L-atm / mole-K, και T είναι η θερμοκρασία στο Kelvin. Για να διορθώσετε όλες τις μονάδες, θα πρέπει να κάνετε μετατροπή σεΜονάδες SI, οι τυπικές μονάδες μέτρησης στην επιστημονική κοινότητα. Για όγκο, αυτό είναι λίτρα. για πίεση, atm; και για τη θερμοκρασία, ο Kelvin (n, ο αριθμός των γραμμομορίων, είναι ήδη σε μονάδες SI).
Αυτός ο νόμος ονομάζεται «Ιδανικός» νόμος για το φυσικό αέριο επειδή υποθέτει ότι οι υπολογισμοί αφορούν αέρια που ακολουθούν τους κανόνες. Σε ακραίες συνθήκες, όπως εξαιρετικά ζεστό ή κρύο, ορισμένα αέρια μπορεί να δρουν διαφορετικά από το Ideal Gas Ο νόμος θα πρότεινε, αλλά σε γενικές γραμμές είναι ασφαλές να υποθέσουμε ότι οι υπολογισμοί σας βάσει του νόμου θα είναι σωστός.
Τώρα γνωρίζετε πολλούς τρόπους για τον υπολογισμό του όγκου του αέρα υπό διάφορες περιστάσεις.