Что такое закон идеального газа?

Закон идеального газа - это математическое уравнение, которое можно использовать для решения задач, связанных с температурой, объемом и давлением газов. Хотя уравнение является приближенным, оно очень хорошее и может быть полезно для широкого диапазона условий. Он использует две тесно связанные формы, которые по-разному учитывают количество газа.

TL; DR (слишком длинный; Не читал)

Закон идеального газа: PV = nRT, где P = давление, V = объем, n = количество молей газа, T - температура, а R - константа пропорциональности, обычно 8,314. Уравнение позволяет решать практические задачи с газами.

В повседневной жизни вы имеете дело с газами, такими как воздух, которым вы дышите, гелий в воздушном шаре для вечеринок или метан, «природный газ», который вы используете для приготовления пищи. Эти вещества имеют очень похожие общие свойства, в том числе то, как они реагируют на давление и тепло. Однако при очень низких температурах большинство реальных газов превращаются в жидкость. Для сравнения: идеальный газ - это скорее полезная абстрактная идея, чем реальное вещество; например, идеальный газ никогда не превращается в жидкость, и его сжимаемости нет предела. Однако большинство реальных газов достаточно близки к идеальному газу, поэтому вы можете использовать закон идеального газа для решения многих практических задач.

Уравнения закона идеального газа содержат давление и объем с одной стороны от знака равенства, а количество и температуру - с другой. Это означает, что произведение давления и объема остается пропорциональным произведению количества и температуры. Если, например, вы увеличиваете температуру фиксированного количества газа в фиксированном объеме, давление также должно увеличиваться. Или, если вы поддерживаете постоянное давление, газ должен расшириться в больший объем.

Чтобы правильно использовать закон идеального газа, вы должны использовать абсолютные единицы температуры. Градусы Цельсия и Фаренгейта не работают, потому что они могут переходить к отрицательным числам. Отрицательные температуры в законе идеального газа дают вам отрицательное давление или объем, которых не может быть. Вместо этого используйте шкалу Кельвина, которая начинается с абсолютного нуля. Если вы работаете с английскими единицами и хотите шкалу Фаренгейта, используйте шкалу Ренкина, которая также начинается с абсолютного нуля.

Первая общая форма уравнения идеального газа: PV = nRT, где P - давление, V - объем, n - количество молей газа, R - константа пропорциональности, обычно 8,314, а T - температура. Для метрической системы используйте паскали для давления, кубические метры для объема и градусы Кельвина для температуры. Возьмем один пример: 1 моль газообразного гелия при 300 Кельвинах (комнатная температура) находится под давлением 101 кПа (давление на уровне моря). Какой объем он занимает? Возьмем PV = nRT и разделим обе части на P, оставив V на левой стороне. Уравнение принимает вид V = nRT ÷ P. Один моль (n), умноженный на 8,314 (R), умноженный на 300 Кельвинов (T), разделенный на 101 000 паскалей (P), дает 0,0247 кубических метров объема, или 24,7 литра.

На уроках естествознания вы увидите еще одну распространенную форму уравнения идеального газа: PV = NkT. Большая буква «N» - это количество частиц (молекул или атомов), а k - постоянная Больцмана, число, которое позволяет вам использовать количество частиц вместо молей. Обратите внимание, что для гелия и других благородных газов вы используете атомы; для всех остальных газов используйте молекулы. Используйте это уравнение так же, как и предыдущее. Например, бак объемом 1 литр вмещает 10²³ молекулы азота. Если снизить температуру до леденящих кровь 200 Кельвинов, какое давление газа в баллоне? Возьмем PV = NkT и разделим обе части на V, оставив P отдельно. Уравнение принимает вид P = NkT ÷ V. Умножить 10²³ молекул (N) на постоянную Больцмана (1,38 x 10^-23), умножьте на 200 Кельвинов (Т), а затем разделите на 0,001 кубических метров (1 литр), чтобы получить давление: 276 килопаскалей.