რა არის იდეალური გაზის კანონი?

იდეალური გაზის კანონი არის მათემატიკური განტოლება, რომლის გამოყენება შეგიძლიათ გაზების ტემპერატურას, მოცულობასა და წნევასთან დაკავშირებული პრობლემების გადასაჭრელად. მიუხედავად იმისა, რომ განტოლება არის მიახლოება, ის ძალიან კარგია და ის სასარგებლოა ფართო სპექტრის პირობებისთვის. იგი იყენებს ორ მჭიდროდ დაკავშირებულ ფორმას, რომლებიც სხვადასხვა გზით ითვალისწინებს გაზის რაოდენობას.

TL; DR (ძალიან გრძელია; არ წავიკითხე)

იდეალური გაზის კანონია PV = nRT, სადაც P = წნევა, V = მოცულობა, n = გაზის მოლების რაოდენობა, T არის ტემპერატურა და R არის პროპორციულობის მუდმივა, ჩვეულებრივ 8.314. განტოლება საშუალებას გაძლევთ გადაწყვიტოთ გაზების პრაქტიკული პრობლემები.

თქვენ გაუმკლავდებით გაზებს ყოველდღიურ ცხოვრებაში, როგორიცაა ჰაერი, რომელსაც სუნთქავთ, ჰელიუმი წვეულების ბუშტში ან მეთანი, "ბუნებრივი გაზი", რომელსაც საჭმლის მოსამზადებლად იყენებთ. ამ ნივთიერებებს აქვთ ძალიან მსგავსი თვისებები, მათ შორის, ისინი რეაგირებენ წნევასა და სითბოზე. ამასთან, ძალიან დაბალ ტემპერატურაზე რეალური გაზების უმეტესობა თხევადი ხდება. შედარებისთვის, იდეალური გაზი უფრო სასარგებლო აბსტრაქტული იდეაა, ვიდრე რეალური ნივთიერება; მაგალითად, იდეალური გაზი არასდროს იქცევა თხევად და მისი შეკუმშვადობა არ არის შეზღუდული. ამასთან, რეალური გაზების უმეტესობა საკმარისად ახლოსაა იდეალურ გაზთან, რომლითაც შეგიძლიათ გამოიყენოთ იდეალური გაზის კანონი მრავალი პრაქტიკული პრობლემის გადასაჭრელად.

იდეალური გაზის კანონის განტოლებებს აქვთ წნევა და მოცულობა ერთ მხარეს ტოლი ნიშნისა და თანხა და ტემპერატურა მეორე მხარეს. ეს ნიშნავს, რომ წნევის და მოცულობის პროდუქტი რჩება პროპორციული რაოდენობით და ტემპერატურის პროდუქტისა. თუ, მაგალითად, გაზრდილი აირის ფიქსირებული მოცულობის ტემპერატურას გაზრდით, წნევაც უნდა გაიზარდოს. ან, თუ წნევას მუდმივად ინარჩუნებთ, გაზი უფრო მეტ მოცულობაში უნდა გაფართოვდეს.

იდეალური გაზის კანონის სწორად გამოყენებისათვის უნდა გამოიყენოთ ტემპერატურის აბსოლუტური ერთეული. გრადუსი ცელსიუსი და ფარენგეიტი არ იმუშავებს, რადგან მათ შეუძლიათ უარყოფით რიცხვებზე გადასვლა. უარყოფითი ტემპერატურა იდეალური გაზის კანონში მოგცემთ უარყოფით წნევას ან მოცულობას, რაც არ შეიძლება არსებობდეს. ამის ნაცვლად გამოიყენეთ კელვინის შკალი, რომელიც იწყება აბსოლუტური ნულიდან. თუ ინგლისურენოვან ერთეულებთან მუშაობთ და გსურთ ფარენგეიტთან დაკავშირებული მასშტაბი, გამოიყენეთ რანკინის შკალა, რომელიც ასევე იწყება აბსოლუტური ნულიდან.

იდეალური გაზის განტოლების პირველი საერთო ფორმაა, PV = nRT, სადაც P არის წნევა, V არის მოცულობა, n არის გაზის მოლების რაოდენობა, R არის პროპორციულობის მუდმივი, ტიპიურად 8.314, ხოლო T არის ტემპერატურა. მეტრული სისტემისთვის გამოიყენეთ პასკალები წნევისთვის, კუბური მეტრი მოცულობისთვის და კელვინები ტემპერატურისთვის. ერთი მაგალითისთვის, ჰელიუმის გაზის 1 მოლი 300 კელვინზე (ოთახის ტემპერატურაზე) არის 101 კილოპასკალის წნევის ქვეშ (ზღვის დონის წნევა). რა მოცულობას იკავებს იგი? აიღეთ PV = nRT და გაყავით ორივე მხარე P– ზე, V დატოვეთ თავისით მარცხენა მხარეს. განტოლება ხდება V = nRT ÷ P. ერთი მოლი (n) ჯერ 8.314 (R) - ჯერ 300 Kelvins (T) გაყოფილი 101,000 პასკალზე (P) იძლევა 0,0247 კუბურ მეტრ მოცულობას, ანუ 24,7 ლიტრს.

მეცნიერების კლასებში, იდეალური გაზის განტოლების კიდევ ერთი საერთო ფორმა, რომელსაც ნახავთ, არის PV = NkT. დიდი "N" არის ნაწილაკების რაოდენობა (მოლეკულები ან ატომები) და k არის ბოლცმანის მუდმივა, რიცხვი, რომელიც საშუალებას გაძლევთ გამოიყენოთ ნაწილაკების რაოდენობა მოლების ნაცვლად. გაითვალისწინეთ, რომ ჰელიუმის და სხვა კეთილშობილური აირებისთვის იყენებთ ატომებს; ყველა სხვა აირისთვის გამოიყენეთ მოლეკულები. გამოიყენეთ ეს განტოლება ისევე, როგორც წინა. მაგალითად, 1 ლიტრიან ავზს 10 აქვს²³ აზოტის მოლეკულები. თუ შეამცირებთ ტემპერატურას ძვლის გამცივებელ 200 კელვინამდე, რა არის წნევის გაზზე ავზი? ავიღოთ PV = NkT და ორივე მხარე გავყოთ V– ზე, P– ს თავისით დატოვება. განტოლება ხდება P = NkT ÷ V. გამრავლების 10²³ მოლეკულები (N) ბოლცმანის მუდმივით (1.38 x 10)^-23), გავამრავლოთ 200 კელვინზე (T) და შემდეგ გავყოთ 0.001 კუბურ მეტრზე (1 ლიტრი) წნევის მისაღებად: 276 კილოპასკალი.