Kas yra idealus dujų įstatymas?

Idealių dujų įstatymas yra matematinė lygtis, kuria galite išspręsti problemas, susijusias su dujų temperatūra, tūriu ir slėgiu. Nors lygtis yra apytikslė, ji yra labai gera ir naudinga esant įvairioms sąlygoms. Jis naudoja dvi glaudžiai susijusias formas, skirtingai apskaičiuojančias dujų kiekį.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Idealus dujų įstatymas yra PV = nRT, kur P = slėgis, V = tūris, n = dujų molių skaičius, T yra temperatūra ir R yra proporcingumo konstanta, paprastai 8,314. Lygtis leidžia išspręsti praktines dujų problemas.

Kasdieniame gyvenime susiduriate su dujomis, tokiomis kaip oras, kuriuo kvėpuojate, helis baliono balione ar metanas, „gamtinės dujos“, kurias naudojate maistui gaminti. Šios medžiagos turi labai panašias savybes, įskaitant tai, kaip jos reaguoja į slėgį ir šilumą. Tačiau esant labai žemai temperatūrai, dauguma tikrųjų dujų virsta skysčiais. Idealios dujos, palyginus, yra labiau naudinga abstrakti mintis nei reali substancija; pavyzdžiui, idealios dujos niekada nevirsta skysčiu, o jų suspaudžiamumui nėra ribų. Tačiau dauguma tikrųjų dujų yra pakankamai arti idealių dujų, kurias naudodami Idealių dujų įstatymą galite išspręsti daugelį praktinių problemų.

Idealių dujų įstatymo lygtys turi slėgį ir tūrį vienoje lygybės ženklo pusėje ir kiekį bei temperatūrą kitoje. Tai reiškia, kad slėgio ir tūrio sandauga išlieka proporcinga kiekio ir temperatūros sandaugai. Pavyzdžiui, jei padidinsite fiksuoto kiekio dujų fiksuoto tūrio temperatūrą, slėgis taip pat turi padidėti. Arba, jei slėgis yra pastovus, dujos turi išsiplėsti į didesnį tūrį.

Norėdami teisingai naudoti „Idealių dujų“ įstatymą, turite naudoti absoliučius temperatūros vienetus. Celsijaus ir Farenheito laipsniai neveiks, nes jie gali pereiti prie neigiamų skaičių. Idealių dujų įstatyme esanti neigiama temperatūra suteikia neigiamą slėgį ar tūrį, kurio negali būti. Vietoj to naudokite Kelvino skalę, kuri prasideda nuo absoliutaus nulio. Jei dirbate su anglų kalbos vienetais ir norite su Fahrenheitu susijusios skalės, naudokite „Rankine“ skalę, kuri taip pat prasideda nuo absoliutaus nulio.

Pirmoji idealių dujų lygties įprasta forma yra PV = nRT, kur P yra slėgis, V yra tūris, n yra dujų molių skaičius, R yra proporcingumo konstanta, paprastai 8,314, o T yra temperatūra. Metrinei sistemai naudokite paskalius slėgiui, kubinius metrus tūriui ir Kelvinus temperatūrai. Pavyzdžiui, 1 molis helio dujų 300 Kelvinų (kambario temperatūroje) slėgis yra 101 kilopaskalas (jūros lygio slėgis). Kiek tūrio jis užima? Paimkite PV = nRT ir padalykite abi puses iš P, kairėje pusėje palikdami V savaime. Lygtis tampa V = nRT ÷ P. Vienu moliu (n) 8,314 (R) kartojant 300 Kelvinų (T), padalijus iš 101 000 paskalų (P), gaunama 0,0247 kubiniai metrai arba 24,7 litro.

Mokslo pamokose kita įprasta idealių dujų lygties forma, kurią pamatysite, yra PV = NkT. Didysis „N“ yra dalelių (molekulių ar atomų) skaičius, o k yra Boltzmanno konstanta, skaičius, leidžiantis vietoj apgamų naudoti dalelių skaičių. Atkreipkite dėmesį, kad helio ir kitų tauriųjų dujų atveju naudojate atomus; visoms kitoms dujoms naudokite molekules. Naudokite šią lygtį taip pat, kaip ir ankstesnę. Pavyzdžiui, 1 litro bakas talpina 10²³ azoto molekulės. Koks yra bako dujų slėgis, jei sumažinsite temperatūrą iki kaulus užmušančio 200 Kelvinų? Paimkite PV = NkT ir padalykite abi puses iš V, palikdami P savaime. Lygtis tampa P = NkT ÷ V. Padauginkite 10²³ molekulės (N) pagal Boltzmanno konstantą (1,38 x 10^-23), padauginkite iš 200 Kelvinų (T) ir padalykite iš 0,001 kubinio metro (1 litras), kad gautumėte slėgį: 276 kilopaskaliai.