Inhalt
- TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
- Luftdruck und Volumen: Boyles Law
- Lufttemperatur und Luftvolumen: Charles Law
- Druck, Temperatur und Volumen: Das kombinierte Gasgesetz
- Das ideale Gasgesetz
Stellen Sie sich vor, Sie sind Taucher und müssen die Luftkapazität Ihres Panzers berechnen. Oder stellen Sie sich vor, Sie hätten einen Ballon auf eine bestimmte Größe gesprengt und sich gefragt, wie der Druck im Ballon ist. Oder nehmen Sie an, Sie vergleichen die Garzeiten eines normalen Ofens und eines Toasters. Wo fängst du an
All diese Fragen haben mit dem Luftvolumen und dem Verhältnis von Luftdruck, Temperatur und Volumen zu tun. Und ja, sie sind verwandt! Glücklicherweise gibt es bereits eine Reihe von wissenschaftlichen Gesetzen, die sich mit diesen Zusammenhängen befassen. Sie müssen nur lernen, wie man sie anwendet. Wir nennen diese Gesetze die Gasgesetze.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Das Gasgesetze sind:
Boyles Gesetz: P1V1 = P2V2.
Charles Law: P1 ÷ T1 = P2 ÷ T2, wo T ist in Kelvin.
Kombiniertes Gasgesetz: P1V1 ÷ T1 = P2V2 ÷ T2, wo T in Kelvin ist.
Ideales Gasgesetz: PV = nRT (Messungen in SI-Einheiten).
Luftdruck und Volumen: Boyles Law
Das Boyles-Gesetz definiert die Beziehung zwischen einem Gasvolumen und seinem Druck. Denken Sie daran: Wenn Sie eine Schachtel voll Luft nehmen und dann auf die Hälfte ihrer Größe drücken, haben die Luftmoleküle weniger Bewegungsspielraum und stoßen viel stärker aufeinander. Diese Kollisionen von Luftmolekülen untereinander und mit den Seiten des Behälters erzeugen Luftdruck.
Das Boyles-Gesetz berücksichtigt die Temperatur nicht Temperatur muss konstant sein um es zu benutzen.
Boyles Gesetz gibt an, dass bei einer konstanten Temperatur das Volumen einer bestimmten Masse (oder Menge) von Gas umgekehrt mit dem Druck variiert.
In Gleichungsform ist das:
P1 x V1 = P2 x V2
wo p1 und V1 sind das Anfangsvolumen und Druck und P2 und V2 sind das neue Volumen und Druck.
Beispiel: Nehmen wir an, Sie entwerfen einen Unterwassertank, in dem der Luftdruck 3000 psi (Pfund pro Quadratzoll) und das Volumen (oder die "Kapazität") des Tanks 70 Kubikfuß beträgt. Wenn Sie sich für einen Tank mit einem höheren Druck von 3500 psi entscheiden, wie groß wäre der Tank, vorausgesetzt, Sie füllen ihn mit der gleichen Luftmenge und halten die Temperatur gleich?
Stecken Sie die angegebenen Werte in Boyles Law:
3000 psi x 70 ft3 = 3500 psi x V2
Vereinfachen Sie die Gleichung und isolieren Sie sie dann auf einer Seite:
210.000 psi x ft3 = 3500 psi x V2
(210.000 psi x ft3 ) ≤ 3500 psi = V2
60 Fuß3 = V2
Die zweite Version Ihres Scuba Tanks wäre also 60 Kubikfuß.
Lufttemperatur und Luftvolumen: Charles Law
Was ist mit der Beziehung zwischen Volumen und Temperatur? Bei höheren Temperaturen beschleunigen sich die Moleküle, kollidieren härter und härter mit den Seiten ihres Behälters und drücken ihn nach außen. Charles Law gibt die Mathematik für diese Situation.
Charles Law gibt an, dass bei einem konstanten Druck das Volumen einer gegebenen Masse (Menge) von Gas direkt proportional zu seiner (absoluten) Temperatur ist.
Oder V1 ÷ T1 = V2 ÷ T2.
Für Charles Law muss der Druck konstant gehalten und die Temperatur in Kelvin gemessen werden.
Druck, Temperatur und Volumen: Das kombinierte Gasgesetz
Was ist, wenn Sie Druck, Temperatur und Volumen in einem Problem haben? Auch dafür gibt es eine Regel. Das Kombiniertes Gasgesetz Nimmt die Informationen von Boyles Law und Charles Law und verknüpft sie, um einen weiteren Aspekt der Druck-Temperatur-Volumen-Beziehung zu definieren.
Das Kombiniertes Gasgesetz gibt an, dass das Volumen einer gegebenen Gasmenge proportional zu dem Verhältnis seiner Kelvin-Temperatur und seines Drucks ist. Das klingt kompliziert, aber schauen Sie sich die Gleichung an:
P1V1 ÷ T1 = P2V2 ÷ T2.
Auch hier sollte die Temperatur in Kelvin gemessen werden.
Das ideale Gasgesetz
Eine letzte Gleichung, die diese Eigenschaften eines Gases in Beziehung setzt, ist die Ideales Gasgesetz. Das Gesetz ergibt sich aus der folgenden Gleichung:
PV = nRT,
wobei P = Druck, V = Volumen, n = Anzahl der Mole, R ist Universelle Gas KonstanteDies entspricht 0,0821 L-atm / Mol-K, und T ist die Temperatur in Kelvin. Um alle Einheiten korrekt zu machen, müssen Sie in konvertieren SI-Einheiten, die Standardmaßeinheiten innerhalb der wissenschaftlichen Gemeinschaft. Für das Volumen sind das Liter; für Druck atm; und für die Temperatur ist Kelvin (n, die Anzahl der Mol, bereits in SI-Einheiten).
Dieses Gesetz wird als "ideales" Gasgesetz bezeichnet, da davon ausgegangen wird, dass sich die Berechnungen auf Gase beziehen, die den Regeln entsprechen. Unter extremen Bedingungen, wie extrem heiß oder kalt, können einige Gase anders wirken, als es das ideale Gasgesetz vorgeben würde, aber im Allgemeinen kann man davon ausgehen, dass Ihre Berechnungen nach dem Gesetz korrekt sind.
Jetzt kennen Sie verschiedene Möglichkeiten, um das Luftvolumen unter verschiedenen Umständen zu berechnen.