Imaginați-vă că sunteți scafandru și trebuie să calculați capacitatea de aer a rezervorului. Sau imaginați-vă că ați aruncat în aer un balon la o anumită dimensiune și vă întrebați cum este presiunea în interiorul balonului. Sau să presupunem că comparați timpul de gătit al unui cuptor obișnuit și al unui cuptor cu prăjitor de pâine. De unde începi?
Toate aceste întrebări au legătură cu volumul de aer și relația dintre presiunea aerului, temperatura și volumul. Și da, sunt înrudite! Din fericire, există o serie de legi științifice deja elaborate pentru a face față acestor relații. Trebuie doar să înveți cum să le aplici. Aceste legi le numim Legile gazelor.
Presiunea și volumul aerului: Legea lui Boyle
Legea lui Boyle definește relația dintre un volum de gaz și presiunea acestuia. Gândiți-vă la acest lucru: dacă luați o cutie plină de aer și apoi o apăsați până la jumătate din dimensiunea sa, moleculele de aer vor avea mai puțin spațiu pentru a se deplasa și se vor ciocni mult mai mult. Aceste coliziuni ale moleculelor de aer între ele și cu părțile laterale ale containerului sunt cele care creează presiunea aerului.
Legea lui Boyle nu ia în considerare temperatura, decitemperatura trebuie să fie constantăpentru a-l folosi.
Legea lui Boyleafirmă că, la o temperatură constantă, volumul unei anumite mase (sau cantități) de gaz variază invers cu presiunea.
În formă de ecuație, acesta este:
P_1V_1 = P_2V_2
unde P1 și V1 sunt volumul și presiunea inițiale și P2 și V2 sunt noul volum și presiune.
Exemplu: Să presupunem că proiectați un rezervor de scuba unde presiunea aerului este de 3000 psi (livre pe inch pătrat) și volumul (sau "capacitatea") rezervorului este de 70 de metri cubi. Dacă decideți că preferați să faceți un rezervor cu o presiune mai mare de 3500 psi, care ar fi volumul rezervorului, presupunând că îl umpleți cu aceeași cantitate de aer și mențineți temperatura la fel?
Conectați valorile date în Legea lui Boyle:
3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ times V_2
Simplificați, apoi izolați variabila pe o parte ecuația și rezolvați pentru V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ times 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
Așadar, a doua versiune a rezervorului dvs. de scufundare ar fi de 60 de metri cubi.
Temperatura și volumul aerului: Legea lui Charles
Dar relația dintre volum și temperatură? Temperaturile mai ridicate fac ca moleculele să accelereze, ciocnindu-se din ce în ce mai tare cu părțile laterale ale containerului și împingându-le spre exterior. Legea lui Charles oferă calculele pentru această situație.
Legea lui Charlesafirmă că la o presiune constantă, volumul unei mase date (cantitate) de gaz este direct proporțional cu temperatura sa (absolută).
Sau:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
Pentru legea lui Charles, presiunea trebuie menținută constantă, iar temperatura ar trebui măsurată în Kelvin.
Presiune, temperatură și volum: legea gazelor combinate
Acum, ce se întâmplă dacă aveți presiune, temperatură și volum toate împreună în aceeași problemă? Există și o regulă pentru asta.Legea combinată a gazelorpreia informațiile din Legea lui Boyle și din Legea lui Charles și le leagă pentru a defini un alt aspect al relației presiune-temperatură-volum.
Legea combinată a gazelorafirmă că volumul unei cantități date de gaz este proporțional cu raportul dintre temperatura sa Kelvin și presiunea sa. Sună complicat, dar aruncă o privire asupra ecuației:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
Din nou, temperatura trebuie măsurată în Kelvin.
Legea gazelor ideale
O ecuație finală care leagă aceste proprietăți ale unui gaz esteLegea gazelor ideale. Legea este dată de următoarea ecuație:
PV = nRT
unde P = presiune, V = volum, n = numărul de moli, R esteconstantă de gaz universală, care este egal cu 0,0821 L-atm / mol-K, iar T este temperatura în Kelvin. Pentru a obține toate unitățile corecte, va trebui să faceți conversia înUnități SI, unitățile standard de măsură din cadrul comunității științifice. Pentru volum, sunt litri; pentru presiune, atm; iar pentru temperatură, Kelvin (n, numărul de aluniți, este deja în unități SI).
Această lege se numește legea „ideală” a gazelor, deoarece presupune că calculele se referă la gaze care respectă regulile. În condiții extreme, cum ar fi extrem de cald sau rece, unele gaze pot acționa diferit față de gazul ideal Legea ar sugera, dar, în general, este sigur să presupunem că calculele dvs. folosind legea vor fi corect.
Acum cunoașteți mai multe moduri de a calcula volumul de aer în diverse circumstanțe.