Stel je voor dat je een duiker bent en je moet de luchtcapaciteit van je tank berekenen. Of stel je voor dat je een ballon hebt opgeblazen tot een bepaalde grootte, en je vraagt je af hoe de druk in de ballon is. Of stel dat u de kooktijden van een gewone oven en een broodroosteroven vergelijkt. Waar begin je?
Al deze vragen hebben te maken met het luchtvolume en de relatie tussen luchtdruk, temperatuur en volume. En ja, ze zijn verwant! Gelukkig zijn er al een aantal wetenschappelijke wetten uitgewerkt om met deze relaties om te gaan. Je moet ze alleen leren toepassen. We noemen deze wetten de gaswetten.
Luchtdruk en volume: de wet van Boyle
De wet van Boyle definieert de relatie tussen een gasvolume en zijn druk. Denk aan dit: als je een doos vol lucht neemt en deze vervolgens tot de helft van zijn grootte naar beneden drukt, hebben de luchtmoleculen minder ruimte om te bewegen en zullen ze veel meer tegen elkaar botsen. Deze botsingen van luchtmoleculen met elkaar en met de zijkanten van de container zorgen voor luchtdruk.
De wet van Boyle houdt geen rekening met temperatuur, dus detemperatuur moet constant zijnom het te gebruiken.
De wet van Boylestelt dat bij een constante temperatuur het volume van een bepaalde massa (of hoeveelheid) gas omgekeerd evenredig varieert met de druk.
In vergelijkingsvorm is dat:
P_1V_1=P_2V_2
waar P1 en V1 zijn het initiële volume en de druk en P2 en V2 zijn het nieuwe volume en de nieuwe druk.
Voorbeeld: Stel dat u een duikfles ontwerpt waarvan de luchtdruk 3000 psi (pond per vierkante inch) is en het volume (of de "capaciteit") van de tank 70 kubieke voet is. Als u besluit dat u liever een tank maakt met een hogere druk van 3500 psi, wat zou dan het volume van de tank zijn, ervan uitgaande dat u deze met dezelfde hoeveelheid lucht vult en de temperatuur gelijk houdt?
Steek de gegeven waarden in de wet van Boyle:
3000\text{ psi}\times 70\text{ ft}^3 = 3500\text{ psi}\times V_2
Vereenvoudig, isoleer vervolgens de variabele aan de ene kant van de vergelijking en los op voor V2:
V_2=\frac{3000\text{ psi}\times 70\text{ ft}^3}{3500\text{ psi}}=60\text{ ft}^3
Dus de tweede versie van je duikfles zou 60 kubieke voet zijn.
Luchttemperatuur en -volume: de wet van Charles
Hoe zit het met de relatie tussen volume en temperatuur? Hogere temperaturen zorgen ervoor dat moleculen sneller worden, steeds harder botsen met de zijkanten van hun container en deze naar buiten duwen. De wet van Charles geeft de wiskunde voor deze situatie.
Wet van Charles Charlesstelt dat bij een constante druk het volume van een bepaalde massa (hoeveelheid) gas recht evenredig is met zijn (absolute) temperatuur.
Of:
\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}
Voor de wet van Charles moet de druk constant worden gehouden en moet de temperatuur in Kelvin worden gemeten.
Druk, temperatuur en volume: de gecombineerde gaswet
Nu, wat als je druk, temperatuur en volume allemaal samen in hetzelfde probleem hebt? Daar is ook een regel voor. DeGecombineerde gaswetneemt de informatie uit de wet van Boyle en de wet van Charles en voegt ze samen om een ander aspect van de relatie tussen druk en temperatuur te definiëren.
DeGecombineerde gaswetstelt dat het volume van een bepaalde hoeveelheid gas evenredig is met de verhouding van de Kelvin-temperatuur en de druk. Dat klinkt ingewikkeld, maar kijk eens naar de vergelijking:
\frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}
Nogmaals, de temperatuur moet worden gemeten in Kelvin.
De ideale gaswet
Een laatste vergelijking met betrekking tot deze eigenschappen van een gas is deIdeale gaswet. De wet wordt gegeven door de volgende vergelijking:
PV=nRT
waarbij P = druk, V = volume, n = aantal mol, R is deuniversele gasconstante, wat gelijk is aan 0,0821 L-atm / mol-K, en T is de temperatuur in Kelvin. Om alle eenheden correct te krijgen, moet je converteren naarSI eenheden, de standaard meeteenheden binnen de wetenschappelijke gemeenschap. Voor volume is dat liters; voor druk, geldautomaat; en voor temperatuur, Kelvin (n, het aantal mol, is al in SI-eenheden).
Deze wet wordt de "Ideale" gaswet genoemd omdat deze ervan uitgaat dat de berekeningen betrekking hebben op gassen die aan de regels voldoen. Onder extreme omstandigheden, zoals extreem heet of koud, kunnen sommige gassen anders werken dan het Ideal Gas De wet zou suggereren, maar in het algemeen is het veilig om aan te nemen dat uw berekeningen met behulp van de wet zullen zijn: correct.
Nu kent u verschillende manieren om het luchtvolume onder verschillende omstandigheden te berekenen.