W zależności od wykonywanej pracy lub innych aspektów stylu życia, możesz od czasu do czasu lub regularnie pracować z butlami ciśnieniowymi zawierającymi jeden lub więcej rodzajów gazu. „Gaz” w tym kontekście nie jest skrótem od „benzyny”, ale zamiast tego odnosi się do dowolnej substancji w stanie gazowym, w przeciwieństwie do stanu stałego lub ciekłego. Jednym z popularnych przykładów jest propan jako paliwo węglowodorowe.
Czasami może być konieczne określenie ciężaru gazu wewnątrz butli. Jednym z prymitywnych sposobów na zrobienie tego byłoby zważenie butli zawierającej dany gaz, rozładowanie całego gazu i ponowne zważenie butli; różnica wartości byłaby masą gazu, przy założeniu, że powietrze nie może napływać do pojemnika i dodać masę, która zakłóciłaby obliczenia. Byłoby to jednak oczywistym marnowaniem zasobów chemicznych.
Czy jest lepszy sposób? Rzeczywiście, a przy okazji uczy trochę fizyki i chemii.
Standardowa butla gazowa
Cel przechowywania sprężonych gazów w butlach i innych pojemnikach jest prosty: pozwala na transport i przechowywanie większej ilości substancji w mniejszym fizycznym objętość niż byłaby wymagana, gdyby danemu gazowi pozwolono na naturalne rozprowadzanie, podobnie jak cząsteczki gazu i inne cząstki tworzące powietrze w otaczającej atmosferze ty.
To niestety wiąże się z kompromisem: sprężanie gazów (czyli zmniejszenie ich objętości) pociąga za sobą proporcjonalny wzrost ciśnienia, przy założeniu, że wszystkie inne zmienne, takie jak temperatura, są utrzymywane stały. Omówiono to dalej w dalszej części.
Butle gazowe mają zatem ciśnienie wewnętrzne wyższe niż ciśnienie atmosferyczne, które wynosi 14,7 funtów na cal kwadratowy (psi) na powierzchni Ziemi. Zawarte w nich substancje muszą mieć temperaturę wrzenia poniżej 20 stopni Celsjusza (68 stopni Fahrenheita) aby można było uznać je za gazy, w przeciwnym razie pozostałyby ciałami stałymi powyżej „temperatury pokojowej” lub więc.
Prawo dotyczące gazu doskonałego
Prawo gazu doskonałego stanowi, że:
PV = nRT
gdzie P jest ciśnienie, V to objętość, nie to liczba moli obecnego gazu, R jest stałą i T to temperatura w kelwinach (K). W sytuacji, w której T i nie są stałe, ale P i V może ulec zmianie, na przykład po otwarciu zaworu w butli zawierającej gaz, oznacza to, że produkt P i V jest stałą w całym procesie. W symbolach:
P1V1 = P2V2
Obliczanie objętości sprężonego gazu
Załóżmy, że masz butlę z azotem przechowywaną w normalnej temperaturze (20 C) i ciśnieniu (14,7 psi) oznaczoną objętością 29,5 l i ciśnieniem wewnętrznym 2200 psi. Jaka jest „naturalna” objętość gazowego azotu?
Gdyby gaz został uwolniony, rozproszyłby się po całym środowisku, a jego ciśnienie zrównałoby się z ciśnieniem atmosferycznym. Możesz zatem użyć relacji wyprowadzonej powyżej, gdzie P1 = 2200 psi, V1 = 29,5 l i P2 = 14,7 psi, aby znaleźć V2:
(2200)(29,5)/(14,7) = V2 = 4415 L
Obliczanie masy gazu: czy potrzebna jest masa butli?
Aby obliczyć masę tej objętości gazu, musisz znać jego gęstość w normalnych warunkach. Aby uzyskać te informacje, zapoznaj się ze stroną, taką jak ta w zasobach.
Azot (N2) ma masę cząsteczkową 28,0 g/mol i gęstość 1,17 kg/m3 = 1,17 g/l w 20°C. Ponieważ gęstość to masa podzielona przez objętość, masa równa się objętości razy gęstość; w tym przypadku:
(4415 l) (1,17 g/l) = 5165 g = 5,165 kg
- To około 11,5 funta azotu (1 kg = 2,204 funta).
I jak widać odpowiedź na pytanie o masę cylindra brzmi: nie! Wystarczy trochę praktycznej wiedzy chemicznej i odrobina wytrwałości.