Содержание
- TL; DR (слишком долго; не читал)
- Давление и объем воздуха: закон Бойлса
- Температура и объем воздуха: закон Чарльза
- Давление, температура и объем: закон о комбинированном газе
- Закон идеального газа
Представьте, что вы аквалангист, и вам нужно рассчитать воздушную емкость вашего танка. Или представьте, что вы взорвали воздушный шар до определенного размера, и вам интересно, каково давление внутри воздушного шара. Или предположим, что вы сравниваете время приготовления обычной духовки и тостера. С чего начать?
Все эти вопросы касаются объема воздуха и взаимосвязи между давлением воздуха, температурой и объемом. И да, они связаны! К счастью, есть ряд научных законов, уже разработанных для решения этих отношений. Вам просто нужно научиться их применять. Мы называем эти законы газовыми законами.
TL; DR (слишком долго; не читал)
Газовые законы находятся:
Бойлз Лоу: П1В1 = P2В2.
Чарльз Лоу: п1 ÷ T1 = P2 ÷ T2, где Т находится в Кельвинах.
Закон о комбинированном газе: п1В1 ÷ T1 = P2В2 ÷ T2где Т находится в Кельвинах.
Закон об идеальном газе: PV = nRT, (измерения в единицах СИ).
Давление и объем воздуха: закон Бойлса
Закон Бойлса определяет связь между объемом газа и его давлением. Подумайте об этом: если вы возьмете коробку, наполненную воздухом, а затем прижмете ее вдвое, у молекул воздуха будет меньше места для перемещения, и они столкнутся друг с другом гораздо больше. Эти столкновения молекул воздуха друг с другом и со сторонами контейнера создают давление воздуха.
Закон Бойлса не учитывает температуру, поэтому температура должна быть постоянной для того, чтобы использовать его.
Бойлз Лоу утверждает, что при постоянной температуре объем определенной массы (или количества) газа изменяется обратно пропорционально давлению.
В форме уравнения это:
п1 х V1 = P2 х V2
где П1 и V1 начальный объем и давление, а P2 и V2 новый объем и давление.
примерПредположим, вы проектируете аквариум с аквариумом, в котором давление воздуха составляет 3000 фунтов на квадратный дюйм, а объем (или «емкость») бака составляет 70 кубических футов. Если вы решите сделать резервуар с более высоким давлением 3500 фунтов на квадратный дюйм, каков будет объем резервуара, если вы заполните его тем же количеством воздуха и сохраните температуру?
Вставьте данные значения в закон Бойлса:
3000 фунтов на квадратный дюйм x 70 футов3 = 3500 фунтов на квадратный дюйм х V2
Упростите, затем выделите переменную с одной стороны уравнения:
210 000 фунтов на квадратный дюйм x футов3 = 3500 фунтов на квадратный дюйм х V2
(210 000 фунтов на квадратный дюйм x футов3 ) ÷ 3500 фунтов на кв. Дюйм = V2
60 футов3 = V2
Таким образом, вторая версия вашего акваланга будет 60 кубических футов.
Температура и объем воздуха: закон Чарльза
Как насчет соотношения между объемом и температурой? При более высоких температурах молекулы ускоряются, все сильнее и сильнее сталкиваясь со стенками контейнера и выталкивая его наружу. Чарльз Лоу дает математику для этой ситуации.
Чарльз Лоу утверждает, что при постоянном давлении объем данной массы (количества) газа прямо пропорционален его (абсолютной) температуре.
Или же В1 ÷ T1 = V2 ÷ T2.
Для Чарльза Лоу давление должно поддерживаться постоянным, а температура должна измеряться в Кельвинах.
Давление, температура и объем: закон о комбинированном газе
Теперь, что если у вас есть давление, температура и объем все вместе в одной и той же проблеме? Есть правило для этого тоже. Закон о комбинированном газе берет информацию из закона Бойлса и Чарльза Лоу и объединяет их, чтобы определить другой аспект отношения давление-температура-объем.
Закон о комбинированном газе утверждает, что объем данного количества газа пропорционален отношению его температуры Кельвина и его давления. Это звучит сложно, но взгляните на уравнение:
п1В1 ÷ T1 = P2В2 ÷ T2.
Опять же, температура должна измеряться в Кельвинах.
Закон идеального газа
Одним из последних уравнений, связывающих эти свойства газа, является Закон об идеальном газе, Закон задается следующим уравнением:
PV = nRT,
где P = давление, V = объем, n = количество молей, R представляет собой универсальная газовая постоянная, что равно 0,0821 л-атм / моль-К, а Т - температура в градусах Кельвина. Для того, чтобы все юниты были правильными, вам нужно конвертировать в Единицы СИстандартные единицы измерения в научном сообществе. Для объема, это литров; для давления, атм; и для температуры, Кельвин (n, число молей, уже в единицах СИ).
Этот закон называется «идеальным» газовым законом, поскольку он предполагает, что в расчетах рассматриваются газы, соответствующие правилам. В экстремальных условиях, таких как экстремально горячий или холодный, некоторые газы могут действовать не так, как предполагалось бы по Закону об идеальном газе, но в целом можно предположить, что ваши расчеты с использованием этого закона будут правильными.
Теперь вы знаете несколько способов расчета объема воздуха при различных обстоятельствах.