Уявіть, що ви дайвер, і вам потрібно розрахувати повітряну ємність вашого резервуара. Або уявіть, що ви підірвали повітряну кулю до певного розміру, і вам цікаво, який тиск усередині повітряної кулі. Або припустимо, ви порівнюєте час приготування звичайної духовки та тостера. З чого ви починаєте?
Всі ці питання пов’язані з об’ємом повітря та взаємозв’язком між тиском повітря, температурою та об’ємом. І так, вони пов’язані між собою! На щастя, існує низка наукових законів, які вже розроблені для вирішення цих відносин. Вам просто потрібно навчитися застосовувати їх. Ці закони ми називаємо газовими законами.
Тиск і об'єм повітря: закон Бойля
Закон Бойля визначає залежність між обсягом газу та його тиском. Подумайте про це: якщо взяти коробку, повну повітря, а потім натиснути її до половини свого розміру, молекули повітря матимуть менше місця для переміщення і натраплятимуть одна на одну набагато більше. Ці зіткнення молекул повітря між собою та зі сторонами контейнера і є тим, що створює тиск повітря.
Закон Бойла не враховує температуру, томутемпература повинна бути постійноюз метою його використання.
Закон Бойлястверджує, що при постійній температурі об'єм певної маси (або кількості) газу змінюється обернено до тиску.
У вигляді рівняння це:
P_1V_1 = P_2V_2
де Р1 і V1 - початковий об’єм і тиск і Р2 і V2 - це новий об’єм і тиск.
Приклад: Припустимо, ви розробляєте акваланги, де тиск повітря становить 3000 фунтів на квадратний дюйм (фунти на квадратний дюйм), а об'єм (або "місткість") ємності становить 70 кубічних футів. Якщо ви вирішили, що віддаєте перевагу резервуару з більш високим тиском 3500 фунтів на квадратний дюйм, яким би був об’єм бака, якщо ви наповнюєте його такою ж кількістю повітря і підтримуєте однакову температуру?
Підключіть дані значення до закону Бойля:
3000 \ text {psi} \ раз 70 \ text {ft} ^ 3 = 3500 \ text {psi} \ раз V_2
Спростіть, а потім виділіть змінну з одного боку рівняння і розв'яжіть для V2:
V_2 = \ frac {3000 \ text {psi} \ раз 70 \ text {ft} ^ 3} {3500 \ text {psi}} = 60 \ text {ft} ^ 3
Отже, друга версія вашого аквалангу складатиме 60 кубічних футів.
Температура та об’єм повітря: Закон Чарльза
А як щодо співвідношення між об’ємом і температурою? Більш високі температури змушують молекули прискорюватися, стикаючись все сильніше і сильніше з бортами контейнера і виштовхуючи його назовні. Закон Чарльза дає математику цій ситуації.
Закон Чарльзастверджує, що при постійному тиску об’єм даної маси (кількості) газу прямо пропорційний його (абсолютній) температурі.
Або:
\ frac {V_1} {T_1} = \ frac {V_2} {T_2}
За законом Чарльза тиск повинен підтримуватися постійним, а температура повинна вимірюватися в Кельвінах.
Тиск, температура та об'єм: закон комбінованого газу
А що, якщо у вас тиск, температура та об’єм разом у одній і тій же проблемі? Для цього теж є правило.Закон про комбінований газбере інформацію із закону Бойля та закону Чарльза та поєднує їх, щоб визначити інший аспект співвідношення тиск-температура-об'єм.
Закон про комбінований газстверджує, що об’єм даної кількості газу пропорційний співвідношенню його температури Кельвіна та тиску. Це звучить складно, але погляньте на рівняння:
\ frac {P_1V_1} {T_1} = \ frac {P_2V_2} {T_2}
Знову ж таки, температуру слід вимірювати в Кельвінах.
Закон про ідеальний газ
Останнє рівняння, що стосується цих властивостей газу, -Закон про ідеальний газ. Закон задається таким рівнянням:
PV = nRT
де P = тиск, V = об'єм, n = кількість молей, R -універсальна газова постійна, що дорівнює 0,0821 L-атм / моль-K, а T - температура в Кельвіні. Для того, щоб отримати всі одиниці виміру правильно, вам потрібно перетворити наОдиниці СІ, стандартні одиниці виміру в науковому співтоваристві. Для обсягу - це літри; для тиску, атм; а для температури - Кельвін (n, кількість молей вже в одиницях СІ).
Цей закон називають законом про ідеальний газ, оскільки він передбачає, що розрахунки мають справу з газами, які відповідають правилам. В екстремальних умовах, таких як надзвичайно гарячі або холодні, деякі гази можуть діяти інакше, ніж ідеальний газ Закон запропонував би, але загалом можна з упевненістю припустити, що ваші розрахунки з використанням закону будуть правильно.
Тепер ви знаєте кілька способів обчислення обсягу повітря за різних обставин.