דמיין שאתה צוללן, ואתה צריך לחשב את קיבולת האוויר של הטנק שלך. או תאר לעצמך שפוצצת בלון בגודל מסוים, ואתה תוהה איך הלחץ בתוך הבלון. או נניח שאתה משווה את זמני הבישול של תנור רגיל ותנור טוסטר. מאיפה מתחילים?
כל השאלות הללו קשורות לנפח האוויר והקשר בין לחץ האוויר, הטמפרטורה והנפח. וכן, הם קשורים זה לזה! למרבה המזל, ישנם מספר חוקים מדעיים שכבר הסתדרו בכדי להתמודד עם מערכות יחסים אלה. אתה רק צריך ללמוד ליישם אותם. אנו מכנים חוקים אלה חוקי הגז.
לחץ אוויר ונפח: חוק בויל
חוק בויל מגדיר את הקשר בין נפח גז ללחץ שלו. חשוב על זה: אם תיקח קופסה מלאה באוויר ואז תלחץ אותה עד למחצית מגודלה, למולקולות האוויר יהיה פחות מקום לנוע ויתקלו אחת בשנייה הרבה יותר. התנגשויות אלו של מולקולות אוויר זו בזו ועם דפנות המכל הן היוצרות לחץ אוויר.
החוק של בויל לא לוקח בחשבון טמפרטורה, ולכןהטמפרטורה חייבת להיות קבועהעל מנת להשתמש בו.
חוק בוילקובע כי, בטמפרטורה קבועה, נפח מסה (או כמות) מסוימת של גז משתנה להפך עם הלחץ.
בצורה משוואת, זה:
P_1V_1 = P_2V_2
איפה פ1 ו- V.1 הם הנפח והלחץ הראשוניים ו- P2 ו- V.2 הם הנפח והלחץ החדשים.
דוגמא
נניח שאתה מתכנן מיכל צלילה בו לחץ האוויר הוא 3000 psi (פאונד לאינץ 'מרובע) ונפחו (או "הקיבולת") של המיכל הוא 70 מטר מעוקב. אם תחליט שאתה מעדיף להכין מיכל עם לחץ גבוה יותר של 3500 psi, מה יהיה נפח המיכל, בהנחה שתמלא אותו באותה כמות אוויר ותשמור על הטמפרטורה זהה?חבר את הערכים הנתונים לחוק בויל:
3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ times V_2
לפשט, ואז לבודד את המשתנה בצד אחד של המשוואה ולפתור V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
אז הגרסה השנייה של מיכל הצלילה שלך תהיה 60 מטר מעוקב.
טמפרטורת ונפח האוויר: חוק צ'ארלס
מה לגבי הקשר בין נפח לטמפרטורה? טמפרטורות גבוהות גורמות למולקולות להאיץ, מתנגשות יותר ויותר בצידי המכל שלהן ודוחפות אותה החוצה. חוק צ'ארלס נותן את המתמטיקה למצב זה.
חוק צ'ארלסקובע כי בלחץ קבוע, נפח מסה (כמות) נתונה של גז פרופורציונלי ישירות לטמפרטורה (המוחלטת) שלו.
אוֹ:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
על פי חוק צ'ארלס, צריך לשמור על לחץ קבוע, ולמדוד את הטמפרטורה בקלווין.
לחץ, טמפרטורה ונפח: חוק הגז המשולב
עכשיו, מה אם יש לך לחץ, טמפרטורה ונפח יחד באותה בעיה? יש לזה גם כלל. החוק גז משולבלוקח את המידע מחוק בויל וחוק צ'ארלס ומשלב אותם יחד כדי להגדיר היבט נוסף של יחסי לחץ-טמפרטורה-נפח.
החוק גז משולבקובע כי נפח כמות הגז הנתונה הוא פרופורציונלי ליחס בין טמפרטורת קלווין שלה ולחץ שלה. זה נשמע מסובך, אבל תסתכל על המשוואה:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
שוב, יש למדוד את הטמפרטורה בקלווין.
חוק הגז האידיאלי
משוואה סופית אחת המתייחסת לתכונות אלה של גז היאחוק הגז האידיאלי. החוק ניתן על ידי המשוואה הבאה:
PV = nRT
כאשר P = לחץ, V = נפח, n = מספר שומות, R הואקבוע גז אוניברסלי, השווה ל- 0.0821 ל-אטם / שומה K, ו- T היא הטמפרטורה בקלווין. על מנת לתקן את כל היחידות, תצטרך להמיר ליחידות SI, יחידות המידה הסטנדרטיות בקהילה המדעית. לנפח זה ליטר; ללחץ, כספומט; ולטמפרטורה, קלווין (n, מספר השומות, כבר נמצא ביחידות SI).
חוק זה נקרא חוק הגז "האידיאלי" מכיוון שהוא מניח שהחישובים עוסקים בגזים העוקבים אחר הכללים. בתנאים קיצוניים, כמו חם או קר קיצוני, גזים מסוימים עשויים לפעול באופן שונה מהגז האידיאלי החוק יציע, אך באופן כללי אפשר להניח שהחישובים שלך באמצעות החוק יהיו נכון.
עכשיו אתה יודע כמה דרכים לחשב את נפח האוויר במגוון נסיבות.