Imaginez que vous êtes un plongeur autonome et que vous devez calculer la capacité d'air de votre bouteille. Ou imaginez que vous avez gonflé un ballon jusqu'à une certaine taille et que vous vous demandez quelle est la pression à l'intérieur du ballon. Ou supposons que vous compariez les temps de cuisson d'un four ordinaire et d'un four grille-pain. Par où commencez-vous ?
Toutes ces questions ont à voir avec le volume d'air et la relation entre la pression atmosphérique, la température et le volume. Et oui, ils sont liés! Heureusement, il existe un certain nombre de lois scientifiques déjà élaborées pour traiter ces relations. Il suffit d'apprendre à les appliquer. Nous appelons ces lois les lois du gaz.
Pression et volume d'air: loi de Boyle
La loi de Boyle définit la relation entre un volume de gaz et sa pression. Pensez à ceci: si vous prenez une boîte pleine d'air et que vous la pressez jusqu'à la moitié de sa taille, les molécules d'air auront moins d'espace pour se déplacer et se heurteront beaucoup plus. Ces collisions de molécules d'air les unes avec les autres et avec les côtés du conteneur sont ce qui crée une pression d'air.
La loi de Boyle ne tient pas compte de la température, donc lala température doit être constanteafin de l'utiliser.
La loi de Boylestipule qu'à température constante, le volume d'une certaine masse (ou quantité) de gaz varie en raison inverse de la pression.
Sous forme d'équation, c'est :
P_1V_1=P_2V_2
où P1 et V1 sont le volume et la pression initiaux et P2 et V2 sont le nouveau volume et la nouvelle pression.
Exemple: Supposons que vous concevez une bouteille de plongée où la pression d'air est de 3000 psi (livres par pouce carré) et le volume (ou la "capacité") de la bouteille est de 70 pieds cubes. Si vous décidez que vous préférez fabriquer un réservoir avec une pression plus élevée de 3 500 psi, quel serait le volume du réservoir, en supposant que vous le remplissiez avec la même quantité d'air et que vous mainteniez la même température ?
Branchez les valeurs données dans la loi de Boyle :
3000\text{ psi}\times 70\text{ ft}^3 = 3500\text{ psi}\times V_2
Simplifier, puis isoler la variable d'un côté de l'équation et résoudre pour V2:
V_2=\frac{3000\text{ psi}\times 70\text{ ft}^3}{3500\text{ psi}}=60\text{ ft}^3
Ainsi, la deuxième version de votre bouteille de plongée serait de 60 pieds cubes.
Température et volume de l'air: loi de Charles
Qu'en est-il de la relation entre le volume et la température? Des températures plus élevées accélèrent les molécules, entrant de plus en plus en collision avec les côtés de leur récipient et le poussant vers l'extérieur. La loi de Charles donne le calcul pour cette situation.
La loi de Charlesdéclare qu'à pression constante, le volume d'une masse (quantité) donnée de gaz est directement proportionnel à sa température (absolue).
Ou alors:
\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}
Pour la loi de Charles, la pression doit être maintenue constante et la température doit être mesurée en Kelvin.
Pression, température et volume: la loi des gaz combinés
Maintenant, que se passe-t-il si vous avez la pression, la température et le volume tous ensemble dans le même problème? Il y a aussi une règle pour ça. leLoi sur les gaz combinésprend les informations de la loi de Boyle et de la loi de Charles et les associe pour définir un autre aspect de la relation pression-température-volume.
leLoi sur les gaz combinésindique que le volume d'une quantité donnée de gaz est proportionnel au rapport de sa température Kelvin et de sa pression. Cela semble compliqué, mais regardez l'équation:
\frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}
Encore une fois, la température doit être mesurée en Kelvin.
La loi des gaz parfaits
Une dernière équation reliant ces propriétés d'un gaz est laLoi des gaz parfaits. La loi est donnée par l'équation suivante :
PV=nRT
où P = pression, V = volume, n = nombre de moles, R est leConstante du gaz universel, ce qui équivaut à 0,0821 L-atm / mole-K, et T est la température en Kelvin. Afin d'obtenir toutes les unités correctes, vous devrez convertir enUnités SI, les unités de mesure standard au sein de la communauté scientifique. Pour le volume, c'est en litres; pour la pression, atm; et pour la température, Kelvin (n, le nombre de moles, est déjà en unités SI).
Cette loi est appelée loi des gaz "idéale" car elle suppose que les calculs traitent des gaz qui suivent les règles. Dans des conditions extrêmes, comme un chaud ou un froid extrême, certains gaz peuvent agir différemment du gaz idéal La loi suggérerait, mais en général, il est prudent de supposer que vos calculs utilisant la loi seront corriger.
Vous connaissez maintenant plusieurs façons de calculer le volume d'air dans diverses circonstances.