Wat is de ideale gaswet?

De ideale gaswet is een wiskundige vergelijking die u kunt gebruiken om problemen op te lossen met betrekking tot de temperatuur, het volume en de druk van gassen. Hoewel de vergelijking een benadering is, is het een zeer goede, en het is nuttig voor een breed scala aan omstandigheden. Het gebruikt twee nauw verwante vormen die op verschillende manieren de hoeveelheid van een gas verklaren.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

De ideale gaswet is PV = nRT, waarbij P = druk, V = volume, n = aantal mol gas, T is temperatuur en R is een evenredigheidsconstante, meestal 8,314. Met de vergelijking kunt u praktische problemen met gassen oplossen.

In het dagelijks leven heb je te maken met gassen, zoals de lucht die je inademt, het helium in een feestballon of methaan, het 'aardgas' waarmee je voedsel kookt. Deze stoffen hebben zeer vergelijkbare eigenschappen gemeen, inclusief de manier waarop ze reageren op druk en hitte. Bij zeer lage temperaturen worden de meeste echte gassen echter vloeibaar. Een ideaal gas is daarentegen meer een nuttig abstract idee dan een echte substantie; een ideaal gas verandert bijvoorbeeld nooit in vloeistof en er is geen limiet aan de samendrukbaarheid ervan. De meeste echte gassen zijn echter dicht genoeg bij een ideaal gas dat u de ideale gaswet kunt gebruiken om veel praktische problemen op te lossen.

De vergelijkingen van de ideale gaswet hebben druk en volume aan de ene kant van het gelijkteken en hoeveelheid en temperatuur aan de andere kant. Dit betekent dat het product van de druk en het volume evenredig blijft met het product van de hoeveelheid en temperatuur. Als je bijvoorbeeld de temperatuur van een vaste hoeveelheid gas in een vast volume verhoogt, moet de druk ook stijgen. Of, als je de druk constant houdt, moet het gas uitzetten tot een groter volume.

Om de ideale gaswet correct te gebruiken, moet u absolute temperatuureenheden gebruiken. Graden Celsius en Fahrenheit werken niet omdat ze naar negatieve getallen kunnen gaan. Negatieve temperaturen in de ideale gaswet geven je een negatieve druk of volume, die niet kan bestaan. Gebruik in plaats daarvan de Kelvin-schaal, die begint bij het absolute nulpunt. Als je met Engelse eenheden werkt en een Fahrenheit-gerelateerde schaal wilt, gebruik dan de Rankine-schaal, die ook begint bij het absolute nulpunt.

De eerste veel voorkomende vorm van de ideale gasvergelijking is, PV = nRT, waarbij P druk is, V volume, n het aantal mol gas, R een evenredigheidsconstante is, typisch 8,314, en T temperatuur is. Gebruik voor het metrieke stelsel pascals voor druk, kubieke meters voor volume en Kelvins voor temperatuur. Om een ​​voorbeeld te noemen: 1 mol heliumgas van 300 Kelvin (kamertemperatuur) is minder dan 101 kilopascal (druk op zeeniveau). Hoeveel volume neemt het in beslag? Neem PV = nRT en deel beide zijden door P, waarbij V alleen aan de linkerkant blijft. De vergelijking wordt V = nRT ÷ P. Eén mol (n) maal 8,314 (R) maal 300 Kelvin (T) gedeeld door 101.000 pascal (P) geeft 0,0247 kubieke meter volume of 24,7 liter.

In wetenschappelijke lessen is een andere veel voorkomende ideale gasvergelijkingsvorm die je zult zien PV = NkT. De grote "N" is het aantal deeltjes (moleculen of atomen), en k is de constante van Boltzmann, een getal waarmee je het aantal deeltjes kunt gebruiken in plaats van mol. Merk op dat je voor helium en andere edelgassen atomen gebruikt; gebruik voor alle andere gassen moleculen. Gebruik deze vergelijking op vrijwel dezelfde manier als de vorige. Een tank van 1 liter bevat bijvoorbeeld 10²³ moleculen stikstof. Als je de temperatuur verlaagt tot een bloedstollende 200 Kelvin, wat is dan de druk van het gas in de tank? Neem PV = NkT en deel beide zijden door V, zodat P alleen blijft. De vergelijking wordt P = NkT ÷ V. Vermenigvuldig 10²³ moleculen (N) door de constante van Boltzmann (1,38 x 10^-23), vermenigvuldig met 200 Kelvin (T) en deel vervolgens door 0,001 kubieke meter (1 liter) om de druk te krijgen: 276 kilopascal.