מהו חוק הגז האידיאלי?

חוק הגז האידיאלי הוא משוואה מתמטית בה תוכלו להשתמש כדי לפתור בעיות הקשורות לטמפרטורה, נפח ולחץ של גזים. למרות שהמשוואה היא קירוב, היא טובה מאוד, והיא שימושית למגוון רחב של תנאים. היא משתמשת בשתי צורות קשורות זו לזו שמטפלות בכמות הגז בדרכים שונות.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

חוק הגז האידיאלי הוא PV = nRT, כאשר P = לחץ, V = נפח, n = מספר שומות גז, T הוא טמפרטורה ו- R הוא קבוע מידתיות, בדרך כלל 8.314. המשוואה מאפשרת לך לפתור בעיות מעשיות עם גזים.

אתה מתמודד עם גזים בחיי היומיום, כמו האוויר שאתה נושם, הליום בכדור פורח או מתאן, ה"גז הטבעי "שבו אתה משתמש לבישול אוכל. לחומרים אלה יש תכונות דומות מאוד במשותף, כולל האופן בו הם מגיבים ללחץ ולחום. עם זאת, בטמפרטורות נמוכות מאוד, רוב הגזים האמיתיים הופכים לנוזל. גז אידיאלי, לשם השוואה, הוא יותר רעיון מופשט שימושי מאשר חומר אמיתי; למשל, גז אידיאלי לעולם אינו הופך לנוזל, ואין גבול לדחיסותו. עם זאת, רוב הגזים האמיתיים קרובים מספיק לגז אידיאלי כדי שתוכל להשתמש בחוק הגז האידיאלי כדי לפתור בעיות מעשיות רבות.

למשוואות חוק הגז האידיאלי יש לחץ ונפח בצד אחד של סימן השווה וכמות וטמפרטורה מצד שני. פירוש הדבר, תוצר הלחץ והנפח נשאר פרופורציונאלי לתוצר הכמות והטמפרטורה. אם, למשל, אתה מגדיל את הטמפרטורה של כמות קבועה של גז בנפח קבוע, על הלחץ גם לעלות. לחלופין, אם אתה שומר על לחץ קבוע, הגז חייב להתרחב לנפח גדול יותר.

כדי להשתמש נכון בחוק הגז האידיאלי, עליך להשתמש ביחידות טמפרטורה מוחלטות. תארים צלזיוס ופרנהייט לא יעבדו כי הם יכולים ללכת למספרים שליליים. טמפרטורות שליליות בחוק הגז האידיאלי נותנות לך לחץ או נפח שליליים, שאינם יכולים להתקיים. במקום זאת, השתמש בסולם קלווין, שמתחיל באפס מוחלט. אם אתה עובד עם יחידות אנגליות ורוצה סולם הקשור לפרנהייט, השתמש בסולם רנקין, שמתחיל גם באפס מוחלט.

הצורה הנפוצה הראשונה של משוואת הגז האידיאלי היא, PV = nRT, כאשר P הוא לחץ, V הוא נפח, n הוא מספר שומות הגז, R הוא קבוע מידתיות, בדרך כלל 8.314, ו- T הוא הטמפרטורה. עבור המערכת המטרית, השתמש בפסלים ללחץ, מטרים מעוקבים לנפח ובקלווינים לטמפרטורה. אם ניקח דוגמא אחת, שומה אחת של גז הליום בטמפרטורה של 300 קלווינים (טמפרטורת החדר) היא מתחת ל -101 קילופאסקל לחץ (לחץ בגובה פני הים). כמה נפח הוא תופס? קח PV = nRT, וחלק את שני הצדדים ב- P, והשאיר V בפני עצמו בצד שמאל. המשוואה הופכת ל- V = nRT ÷ P. שומה אחת (n) פעמים 8.314 (R) פעמים 300 קלווינים (T) חלקי 101,000 פסקל (P) נותנת 0.0247 מטרים מעוקבים בנפח, או 24.7 ליטר.

בשיעורי מדע, טופס משוואת גז אידיאלי נפוץ אחר שתראה הוא PV = NkT. ה- "N" הגדול הוא מספר החלקיקים (מולקולות או אטומים), ו- k הוא קבוע של בולצמן, מספר המאפשר לך להשתמש במספר החלקיקים במקום בשומות. שים לב כי עבור הליום וגזים אצילים אחרים, אתה משתמש באטומים; עבור כל הגזים האחרים, השתמש במולקולות. השתמש במשוואה זו באופן דומה לזה של הקודם. לדוגמה, מיכל בנפח 1 ליטר מכיל 10²³ מולקולות של חנקן. אם אתה מוריד את הטמפרטורה ל 200 קלווינים מצמררים עצם, מה הלחץ של הגז במיכל? קח PV = NkT וחלק את שני הצדדים ב- V, והשאיר את P לבד. המשוואה הופכת ל- P = NkT ÷ V. הכפל 10²³ מולקולות (N) לפי הקבוע של בולצמן (1.38 x 10^-23הכפל ב 200 קלווינים (T) ואז חלק ב 0.001 מ"ק (1 ליטר) כדי לקבל את הלחץ: 276 קילו-פסל.