कल्पना कीजिए कि आप एक स्कूबा गोताखोर हैं, और आपको अपने टैंक की वायु क्षमता की गणना करने की आवश्यकता है। या कल्पना करें कि आपने एक गुब्बारे को एक निश्चित आकार में उड़ा दिया है, और आप सोच रहे हैं कि गुब्बारे के अंदर कैसा दबाव है। या मान लें कि आप एक नियमित ओवन और एक टोस्टर ओवन के खाना पकाने के समय की तुलना कर रहे हैं। आप कहाँ से शुरू करते हैं?
ये सभी प्रश्न हवा के आयतन और वायुदाब, तापमान और आयतन के बीच संबंध से संबंधित हैं। और हाँ, वे संबंधित हैं! सौभाग्य से, इन संबंधों से निपटने के लिए पहले से ही कई वैज्ञानिक कानून काम कर चुके हैं। आपको बस यह सीखना है कि उन्हें कैसे लागू किया जाए। हम इन कानूनों को गैस कानून कहते हैं।
वायुदाब और आयतन: बॉयल का नियम
बॉयल का नियम गैस की मात्रा और उसके दबाव के बीच संबंध को परिभाषित करता है। इस बारे में सोचें: यदि आप हवा से भरा एक बॉक्स लेते हैं और फिर इसे उसके आधे आकार तक दबाते हैं, तो हवा के अणुओं के पास घूमने के लिए कम जगह होगी और आपस में बहुत अधिक टकराएंगे। हवा के अणुओं के एक दूसरे के साथ और कंटेनर के किनारों के साथ ये टकराव हवा का दबाव बनाते हैं।
बॉयल का नियम तापमान को ध्यान में नहीं रखता है, इसलिएतापमान स्थिर होना चाहिएइसका उपयोग करने के लिए।
बाॅय्ल का नियमबताता है कि, एक स्थिर तापमान पर, गैस के एक निश्चित द्रव्यमान (या मात्रा) का आयतन दबाव के साथ व्युत्क्रमानुपाती होता है।
समीकरण रूप में, वह है:
P_1V_1=P_2V_2
जहां पी1 और वी1 प्रारंभिक आयतन और दबाव हैं और P2 और वी2 नई मात्रा और दबाव हैं।
उदाहरण: मान लीजिए कि आप एक स्कूबा टैंक डिजाइन कर रहे हैं, जहां हवा का दबाव 3000 साई (पाउंड प्रति वर्ग इंच) है और टैंक का आयतन (या "क्षमता") 70 क्यूबिक फीट है। यदि आप तय करते हैं कि आप 3500 साई के उच्च दबाव के साथ एक टैंक बनाना चाहते हैं, तो टैंक का आयतन क्या होगा, यह मानते हुए कि आप इसे समान मात्रा में हवा से भरते हैं और तापमान समान रखते हैं?
दिए गए मानों को बॉयल के नियम में जोड़ें:
3000\पाठ{ साई}\बार 70\पाठ{ फीट}^3 = 3500\पाठ{ साई}\बार V_2
सरलीकृत करें, फिर समीकरण के एक तरफ चर को अलग करें और V. के लिए हल करें2:
V_2=\frac{3000\text{ psi}\times 70\text{ft}^3}{3500\text{ psi}}=60\text{ ft}^3
तो आपके स्कूबा टैंक का दूसरा संस्करण 60 क्यूबिक फीट होगा।
वायु तापमान और आयतन: चार्ल्स का नियम
आयतन और तापमान के बीच संबंध के बारे में क्या? उच्च तापमान अणुओं को गति देते हैं, उनके कंटेनर के किनारों से कठिन और कठिन टकराते हैं और इसे बाहर की ओर धकेलते हैं। चार्ल्स का नियम इस स्थिति का गणित देता है।
चार्ल्स का नियमबताता है कि एक स्थिर दबाव पर, गैस के दिए गए द्रव्यमान (राशि) का आयतन उसके (निरपेक्ष) तापमान के सीधे आनुपातिक होता है।
या:
\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}
चार्ल्स के नियम के लिए, दबाव को स्थिर रखना पड़ता है, और तापमान को केल्विन में मापा जाना चाहिए।
दबाव, तापमान और आयतन: संयुक्त गैस कानून
अब, यदि आपके पास एक ही समस्या में दबाव, तापमान और आयतन सभी एक साथ हों तो क्या होगा? उसके लिए भी एक नियम है।संयुक्त गैस कानूनबॉयल के नियम और चार्ल्स के नियम से जानकारी लेता है और दबाव-तापमान-मात्रा संबंध के एक अन्य पहलू को परिभाषित करने के लिए उन्हें एक साथ मिलाता है।
संयुक्त गैस कानूनबताता है कि गैस की दी गई मात्रा का आयतन उसके केल्विन तापमान और उसके दबाव के अनुपात के समानुपाती होता है। यह जटिल लगता है, लेकिन समीकरण पर एक नज़र डालें:
\frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}
फिर से, तापमान को केल्विन में मापा जाना चाहिए।
आदर्श गैस कानून
गैस के इन गुणों से संबंधित एक अंतिम समीकरण हैआदर्श गैस कानून. कानून निम्नलिखित समीकरण द्वारा दिया गया है:
पीवी = एनआरटी
जहाँ P = दाब, V = आयतन, n = मोलों की संख्या, R =यूनिवर्सल गैस स्थिरांक, जो 0.0821 एल-एटीएम / मोल-के के बराबर है, और टी केल्विन में तापमान है। सभी इकाइयों को सही करने के लिए, आपको कन्वर्ट करने की आवश्यकता होगीएस आई यूनिट, वैज्ञानिक समुदाय के भीतर माप की मानक इकाइयाँ। मात्रा के लिए, वह लीटर है; दबाव के लिए, एटीएम; और तापमान के लिए, केल्विन (n, मोल्स की संख्या, पहले से ही SI इकाइयों में है)।
इस कानून को "आदर्श" गैस कानून कहा जाता है क्योंकि यह मानता है कि गणना नियमों का पालन करने वाली गैसों से संबंधित है। चरम स्थितियों में, जैसे अत्यधिक गर्म या ठंडा, कुछ गैसें आदर्श गैस की तुलना में अलग तरह से कार्य कर सकती हैं कानून सुझाव देगा, लेकिन सामान्य तौर पर यह मान लेना सुरक्षित है कि कानून का उपयोग करके आपकी गणना होगी सही बात।
अब आप विभिन्न परिस्थितियों में वायु आयतन की गणना करने के कई तरीके जानते हैं।