Predstavljajte si, da ste potapljač in morate izračunati zračno prostornino rezervoarja. Ali pa si predstavljate, da ste balon razstrelili do določene velikosti in se sprašujete, kakšen je tlak v balonu. Ali recimo primerjate čas kuhanja običajne pečice in opekača kruha. Kje začnete?
Vsa ta vprašanja so povezana s prostornino zraka in razmerjem med zračnim tlakom, temperaturo in prostornino. In ja, povezani so! Na srečo obstajajo številni znanstveni zakoni, ki se ukvarjajo s temi odnosi. Samo naučiti se morate, kako jih uporabiti. Tem zakonom pravimo plinski zakoni.
Zračni tlak in prostornina: Boyleov zakon
Boyleov zakon opredeljuje razmerje med prostornino plina in njegovim tlakom. Pomislite na to: če vzamete škatlo, polno zraka, in jo nato pritisnete na polovico manjše, bodo molekule zraka imele manj prostora za gibanje in se bodo veliko bolj zaletele. Ta trčenja molekul zraka med seboj in ob straneh posode tvorijo zračni tlak.
Boyleov zakon ne upošteva temperature, zatotemperatura mora biti stalnada bi jo lahko uporabili.
Boyleov zakonnavaja, da se pri stalni temperaturi prostornina določene mase (ali količine) plina spreminja obratno od tlaka.
V obliki enačbe je to:
P_1V_1 = P_2V_2
kjer je P1 in V1 so začetni volumen in tlak in P2 in V2 sta nova prostornina in tlak.
Primer: Recimo, da načrtujete rezervoar za potapljanje, pri katerem je zračni tlak 3000 psi (funtov na kvadratni palec) in prostornina (ali "prostornina") rezervoarja 70 kubičnih metrov. Če se odločite, da boste raje naredili rezervoar z višjim tlakom 3500 psi, kolikšna bi bila prostornina rezervoarja, če ga napolnite z enako količino zraka in ohranite enako temperaturo?
Dane vrednosti vključite v Boyleov zakon:
3000 \ besedilo {psi} \ krat 70 \ besedilo {ft} ^ 3 = 3500 \ besedilo {psi} \ krat V_2
Poenostavite, nato izolirajte spremenljivko na eni strani enačbe in rešite za V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ krat 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
Torej bi bila druga različica vašega potapljaškega bazena 60 kubičnih metrov.
Temperatura in prostornina zraka: Charlesov zakon
Kaj pa razmerje med prostornino in temperaturo? Višje temperature pospešijo molekule, trčijo vedno močneje ob stranice posode in jo potiskajo navzven. Charlesov zakon daje matematiko tej situaciji.
Charlesov zakonnavaja, da je pri konstantnem tlaku prostornina dane mase (količine) plina neposredno sorazmerna z njegovo (absolutno) temperaturo.
Ali:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
Za Charlesov zakon mora biti tlak konstanten, temperaturo pa je treba meriti v Kelvinih.
Tlak, temperatura in prostornina: zakon o kombiniranem plinu
Kaj pa, če imate v isti težavi tlak, temperaturo in prostornino skupaj? Tudi za to obstaja pravilo. TheZakon o kombiniranem plinuvzame informacije iz Boyleovega zakona in Charlesovega zakona ter jih poveže, da opredeli še en vidik razmerja tlak-temperatura-prostornina.
TheZakon o kombiniranem plinunavaja, da je prostornina dane količine plina sorazmerna razmerju med njeno Kelvinovo temperaturo in tlakom. To se sliši zapleteno, vendar si oglejte enačbo:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
Spet je treba meriti temperaturo v Kelvinih.
Zakon o idealnem plinu
Končna enačba, ki povezuje te lastnosti plina, jeZakon o idealnem plinu. Zakon je podan z naslednjo enačbo:
PV = nRT
kjer je P = tlak, V = prostornina, n = število molov, R jeuniverzalna plinska konstanta, kar je enako 0,0821 L-atm / mol-K, T pa temperatura v Kelvinu. Če želite popraviti vse enote, morate pretvoriti vEnote SI, standardne merske enote v znanstveni skupnosti. Za prostornino je to litrov; za tlak, atm; za temperaturo pa Kelvin (n, število molov je že v enotah SI).
Ta zakon se imenuje "idealni" zakon o plinu, ker predvideva, da se v izračunih obravnavajo plini, ki sledijo pravilom. V ekstremnih pogojih, kot so ekstremno vroči ali hladni, lahko nekateri plini delujejo drugače kot idealni plin Zakon bi to predlagal, vendar je na splošno mogoče domnevati, da bodo vaši izračuni z uporabo zakona ustrezni pravilno.
Zdaj poznate več načinov za izračun količine zraka v različnih okoliščinah.