ลองนึกภาพว่าคุณเป็นนักประดาน้ำ และคุณจำเป็นต้องคำนวณความจุอากาศของถังของคุณ หรือลองนึกภาพว่าคุณเป่าลูกโป่งให้มีขนาดที่แน่นอน และคุณกำลังสงสัยว่าความดันภายในบอลลูนเป็นอย่างไร หรือสมมติว่าคุณกำลังเปรียบเทียบเวลาทำอาหารของเตาอบธรรมดากับเตาอบเครื่องปิ้งขนมปัง คุณจะเริ่มต้นที่ไหน
คำถามเหล่านี้เกี่ยวข้องกับปริมาตรของอากาศและความสัมพันธ์ระหว่างความดันอากาศ อุณหภูมิ และปริมาตร และใช่พวกเขาเกี่ยวข้องกัน! โชคดีที่มีกฎหมายทางวิทยาศาสตร์จำนวนหนึ่งที่ได้ดำเนินการเพื่อจัดการกับความสัมพันธ์เหล่านี้ คุณเพียงแค่ต้องเรียนรู้วิธีนำไปใช้ เราเรียกกฎเหล่านี้ว่ากฎหมายแก๊ส
ความกดอากาศและปริมาตร: กฎของบอยล์
กฎของบอยล์กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรแก๊สกับความดัน ลองคิดดูว่า: หากคุณใส่กล่องที่เต็มไปด้วยอากาศแล้วกดลงให้เหลือขนาดครึ่งหนึ่ง โมเลกุลของอากาศจะมีที่ว่างให้เคลื่อนที่น้อยลงและจะชนกันมากขึ้น การชนกันของโมเลกุลอากาศเหล่านี้กับแต่ละอื่น ๆ และด้านข้างของภาชนะเป็นสิ่งที่สร้างความดันอากาศ
กฎของบอยล์ไม่ได้คำนึงถึงอุณหภูมิ ดังนั้นอุณหภูมิต้องคงที่เพื่อที่จะใช้มัน
กฎของบอยล์ระบุว่าที่อุณหภูมิคงที่ ปริมาตรของมวล (หรือปริมาณ) ของก๊าซจะแปรผกผันกับความดัน
ในรูปแบบสมการ นั่นคือ:
P_1V_1=P_2V_2
ที่ไหนพี่1 และ V1 คือปริมาตรและความดันเริ่มต้นและ P2 และ V2 คือปริมาตรและความดันใหม่
ตัวอย่าง: สมมติว่าคุณกำลังออกแบบถังดำน้ำที่มีแรงดันอากาศ 3000 psi (ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) และปริมาตร (หรือ "ความจุ") ของถังคือ 70 ลูกบาศก์ฟุต หากคุณตัดสินใจว่าจะสร้างถังที่มีแรงดันมากกว่า 3500 psi ปริมาตรของถังจะเป็นเท่าใด สมมติว่าคุณเติมอากาศในปริมาณเท่ากันและรักษาอุณหภูมิให้เท่าเดิม
เสียบค่าที่กำหนดลงในกฎของบอยล์:
3000\ข้อความ{ psi}\ครั้ง 70\ข้อความ{ ft}^3 = 3500\ข้อความ{ psi}\ครั้ง V_2
ลดความซับซ้อน จากนั้นแยกตัวแปรที่ด้านหนึ่งสมการแล้วแก้หา V2:
V_2=\frac{3000\text{ psi}\times 70\text{ ft}^3}{3500\text{ psi}}=60\text{ ft}^3
ดังนั้นรุ่นที่สองของถังเก็บน้ำของคุณจะเป็น 60 ลูกบาศก์ฟุต
อุณหภูมิและปริมาตรของอากาศ: กฎของชาร์ลส์
ความสัมพันธ์ระหว่างปริมาตรและอุณหภูมิเป็นอย่างไร? อุณหภูมิที่สูงขึ้นทำให้โมเลกุลเร็วขึ้น ชนกับด้านข้างของภาชนะหนักขึ้นเรื่อยๆ และผลักออกไปด้านนอก กฎของชาร์ลส์ให้คณิตศาสตร์สำหรับสถานการณ์นี้
กฎของชาร์ลส์ระบุว่าที่ความดันคงที่ ปริมาตรของมวล (ปริมาณ) ของก๊าซที่กำหนดจะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับอุณหภูมิ (สัมบูรณ์) ของมัน
หรือ:
\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}
สำหรับกฎของชาร์ลส์ ความดันจะต้องคงที่ และอุณหภูมิควรเป็นเคลวิน
ความดัน อุณหภูมิ และปริมาตร: กฎของก๊าซรวม
แล้วถ้าคุณมีความดัน อุณหภูมิ และปริมาตรรวมกันอยู่ในปัญหาเดียวกันล่ะ มีกฎสำหรับเรื่องนั้นด้วยกฎหมายแก๊สผสมนำข้อมูลจากกฎของบอยล์และกฎของชาร์ลส์มารวมกันเพื่อกำหนดแง่มุมอื่นของความสัมพันธ์ระหว่างความดัน-อุณหภูมิ-ปริมาตร
กฎหมายแก๊สผสมระบุว่าปริมาตรของก๊าซในปริมาณที่กำหนดเป็นสัดส่วนกับอัตราส่วนของอุณหภูมิเคลวินและความดันของก๊าซ ฟังดูซับซ้อน แต่ลองดูสมการ:
\frac{P_1V_1}{T_1}=\frac{P_2V_2}{T_2}
ควรวัดอุณหภูมิเป็นเคลวินอีกครั้ง
กฎหมายแก๊สในอุดมคติ
สมการสุดท้ายที่เกี่ยวข้องกับคุณสมบัติของก๊าซคือกฎหมายแก๊สในอุดมคติ. กฎหมายกำหนดโดยสมการต่อไปนี้:
PV=nRT
โดยที่ P = ความดัน, V = ปริมาตร, n = จำนวนโมล, R คือค่าคงที่แก๊สสากลซึ่งเท่ากับ 0.0821 L-atm / mole-K และ T คืออุณหภูมิในหน่วยเคลวิน เพื่อให้หน่วยทั้งหมดถูกต้อง คุณจะต้องแปลงเป็นหน่วย SI, หน่วยวัดมาตรฐานภายในชุมชนวิทยาศาสตร์ สำหรับปริมาตร นั่นคือลิตร สำหรับความดัน atm; และสำหรับอุณหภูมิ เคลวิน (n, จำนวนโมล, มีอยู่แล้วในหน่วย SI)
กฎหมายนี้เรียกว่ากฎหมายก๊าซ "ในอุดมคติ" เพราะถือว่าการคำนวณเกี่ยวข้องกับก๊าซที่เป็นไปตามกฎ ภายใต้สภาวะที่รุนแรง เช่น ร้อนหรือเย็นจัด ก๊าซบางชนิดอาจทำหน้าที่แตกต่างไปจากก๊าซในอุดมคติ กฎหมายจะแนะนำ แต่โดยทั่วไป ถือว่าปลอดภัยที่จะถือว่าการคำนวณของคุณโดยใช้กฎหมายจะเป็น แก้ไข.
ตอนนี้คุณรู้หลายวิธีในการคำนวณปริมาตรอากาศภายใต้สถานการณ์ต่างๆ