Zamislite da ste ronilac i trebate izračunati kapacitet zraka svog spremnika. Ili zamislite da ste digli u zrak balon do određene veličine i pitate se kakav je pritisak unutar balona. Ili pretpostavimo da uspoređujete vrijeme kuhanja obične pećnice i tostera. Gdje započinjete?
Sva ta pitanja imaju veze s volumenom zraka i odnosom tlaka zraka, temperature i volumena. I da, povezani su! Srećom, postoji niz znanstvenih zakona koji su već razrađeni kako bi se riješili ti odnosi. Jednostavno morate naučiti kako ih primijeniti. Te zakone nazivamo plinskim zakonima.
Tlak i volumen zraka: Boyleov zakon
Boyleov zakon definira odnos između volumena plina i njegovog tlaka. Razmislite o ovome: ako uzmete kutiju punu zraka, a zatim je pritisnete do polovice svoje veličine, molekule zraka imat će manje prostora za kretanje i udarit će jedna u drugu mnogo više. Ti sudari molekula zraka jedni s drugima i sa stranama spremnika stvaraju zračni tlak.
Boyleov zakon ne uzima u obzir temperaturu, patemperatura mora biti konstantnakako bi se njime koristio.
Boyleov zakonnavodi da pri konstantnoj temperaturi volumen određene mase (ili količine) plina varira obrnuto od tlaka.
U obliku jednadžbe, to je:
P_1V_1 = P_2V_2
gdje je P1 i V1 su početni volumen i tlak i P2 i V2 su novi volumen i pritisak.
Primjer: Pretpostavimo da dizajnirate podvodni spremnik u kojem je tlak zraka 3000 psi (funti po kvadratnom inču), a volumen (ili "kapacitet") spremnika 70 kubičnih stopa. Ako odlučite da biste radije napravili spremnik s višim tlakom od 3500 psi, koliki bi bio volumen spremnika, pod pretpostavkom da ga napunite istom količinom zraka i održavate istu temperaturu?
Uključite zadane vrijednosti u Boyleov zakon:
3000 \ text {psi} \ puta 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ puta V_2
Pojednostavite, a zatim izolirajte varijablu s jedne strane jednadžbe i riješite za V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ puta 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
Dakle, druga verzija vašeg akvarijuma bila bi 60 kubika.
Temperatura i volumen zraka: Charlesov zakon
Što je s odnosom volumena i temperature? Više temperature ubrzavaju molekule, sudarajući se sve jače i jače sa stranama spremnika i gurajući ih prema van. Charlesov zakon daje matematiku za ovu situaciju.
Charlesov zakonnavodi da je pri konstantnom tlaku volumen dane mase (količine) plina izravno proporcionalan njegovoj (apsolutnoj) temperaturi.
Ili:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
Za Charlesov zakon tlak se mora održavati konstantnim, a temperaturu treba mjeriti u Kelvinima.
Tlak, temperatura i volumen: Zakon o kombiniranom plinu
Što ako imate pritisak, temperaturu i volumen zajedno u istom problemu? I za to postoji pravilo. TheZakon o kombiniranom plinuuzima podatke iz Boyleova zakona i Charlesova zakona te ih spaja kako bi definirao još jedan aspekt odnosa tlak-temperatura-volumen.
TheZakon o kombiniranom plinunavodi da je volumen zadane količine plina proporcionalan omjeru njegove Kelvinove temperature i tlaka. To zvuči komplicirano, ali pogledajte jednadžbu:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
Opet, temperaturu treba mjeriti u Kelvinima.
Zakon o idealnom plinu
Posljednja jednadžba koja veže ta svojstva plina jeZakon o idealnom plinu. Zakon je dan sljedećom jednadžbom:
PV = nRT
gdje je P = tlak, V = volumen, n = broj molova, R jeuniverzalna plinska konstanta, što je jednako 0,0821 L-atm / mol-K, a T je temperatura u Kelvinima. Da biste ispravili sve jedinice, morat ćete pretvoriti uSI jedinice, standardne mjerne jedinice unutar znanstvene zajednice. Za volumen to su litre; za tlak, atm; a za temperaturu Kelvin (n, broj molova je već u SI jedinicama).
Taj se zakon naziva "idealnim" plinovitim zakonom jer pretpostavlja da se u izračunima radi o plinovima koji slijede pravila. U ekstremnim uvjetima, poput ekstremno vrućih ili hladnih, neki plinovi mogu djelovati drugačije od idealnog plina Zakon bi to predložio, ali općenito je sigurno pretpostaviti da će vaši izračuni koristeći zakon biti ispravno.
Sada znate nekoliko načina za izračunavanje količine zraka u različitim okolnostima.