Закон идеального газа

Закон идеального газа является фундаментальным и полезным соотношением в науке, поскольку он описывает поведение наиболее распространенных газов в условиях, близких к условиям окружающей среды.

Закон идеального газа, PV=nRT, определяет соотношение между числом молекул газа в замкнутой системе и тремя измеряемыми системными переменными: давлением, температурой и объемом.

Закон идеального газа опирается на несколько предположений. Во-первых, что объем молекул газа ничтожно мал. Во-вторых, молекулы ведут себя как жесткие сферы, подчиняющиеся законам движения Ньютона. И, наконец, что между молекулами нет межмолекулярных сил притяжения. Они взаимодействуют друг с другом только через упругие столкновения, поэтому чистых потерь в кинетической энергии нет. Газы отклоняются от этого идеального поведения при высоких давлениях, где плотность газа увеличивается, и реальный объем молекул газа становится важным. Точно так же газы отклоняются при экстремально низких температурах, где важное значение приобретают притягивающие межмолекулярные взаимодействия. Более тяжелые газы могут отклоняться даже при температуре и давлении окружающей среды из-за их более высокой плотности и более сильных межмолекулярных взаимодействий.

Это видео экспериментально подтвердит закон идеального газа путем измерения изменения плотности газа в зависимости от температуры и давления.

Закон идеального газа выводится из четырех важных зависимостей. Во-первых, закон Бойля описывает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объемом газа. Далее, закон Гей-Люссака гласит, что температура и давление пропорциональны. Точно так же закон Чарльза является утверждением о пропорциональности между температурой и объемом. Эти три соотношения образуют закон комбинированного газа, который позволяет сравнивать один газ во многих различных условиях.

Наконец, Авогадро определил, что любые два газа, удерживаемые при одинаковом объеме, температуре и давлении, содержат одинаковое количество молекул. Поскольку газы при одинаковых условиях обычно ведут себя одинаково, константа пропорциональности, называемая универсальной газовой постоянной? (R), можно было бы установить связь между этими параметрами, что позволяет сравнивать различные газы. R имеет единицы энергии для каждой температуры на молекулу; Например, джоули на кельвин на моль.

Закон идеального газа является ценным инструментом для понимания отношений состояний в газообразных системах. Например, в системе с постоянной температурой и давлением добавление большего количества молекул газа приводит к увеличению объема.

Точно так же при постоянной температуре в замкнутой системе, где молекулы не добавляются и не вычитаются, давление газа увеличивается при уменьшении объема.

Магнитные весы могут быть использованы для экспериментального подтверждения закона идеального газа путем измерения физических свойств системы. Вес твердого образца постоянной массы и объема может служить зондом для измерения свойств окружающего его газа.

По мере увеличения давления в системе, при постоянном объеме и температуре системы, количество молекул газа в системе увеличивается, тем самым увеличивая плотность газа. Погруженный в этот газ твердый твердый образец подвержен плавучести, и его видимый вес уменьшается, хотя масса остается неизменной. Изменение плотности газа может быть определено благодаря принципу Архимеда, который гласит, что изменение веса объекта равно изменению веса вытесняемого газа.

Точное поведение плотности газа при различных условиях давления и температуры будет соответствовать закону идеального газа, если ранее описанные приближения верны, что позволяет легко рассчитать универсальную газовую постоянную R.

В следующей серии экспериментов микровесы будут использоваться для подтверждения закона идеального газа и определения универсальной газовой постоянной, R, путем измерения плотности водорода в зависимости от температуры и давления. Сначала тщательно очистите образец, в данном случае тонко обработанный алюминиевый блок, с ацетоном, и просушите. Измерьте объем пробы, наполнив мерный цилиндр достаточным количеством дистиллированной воды, чтобы покрыть пробу. Обратите внимание на начальный объем. Погрузите образец в воду и обратите внимание на изменение объема.

Извлеките, тщательно очистите и высушите образец. Далее загрузите его в магнитные подвесные весы, в данном случае расположенные внутри бардачка. Установите напорно-температурную камеру вокруг образца. Теперь образец подвешен на магнитном подвесе в закрытой системе, не касаясь ни одной из стен.

Откачайте среду образца и заправьте его газообразным водородом под давлением 1 бар.

Измерьте вес образца и пометьте его как исходный вес при комнатной температуре. Затем увеличьте давление в среде образца до 2 бар и дайте ему уравновеситься. Измерьте вес при новом давлении. Повторите эти шаги несколько раз при нескольких давлениях, чтобы получить ряд весов образцов при соответствующем давлении, все при комнатной температуре.

Затем измерьте вес в зависимости от давления при более высокой температуре. Сначала вакуумируйте пробную среду, затем увеличьте температуру до 150 ? C и позволить ему уравновеситься. Затем увеличьте давление до 1 бар. Измерьте вес образца и обозначьте его как исходный вес при 150 ? С и 1 бар. Увеличьте давление, дайте ему уравновеситься и измерьте вес. Повторите эти шаги, чтобы измерить ряд весов образца в диапазоне давлений. Чтобы получить больше данных, повторите серию измерений веса при других постоянных температурах и давлениях.

Чтобы рассчитать идеальную газовую константу, сведите в таблицу измеренные значения массы образца при каждой температуре и давлении.

Затем вычислите разность между всеми парами веса образца в пределах одного температурного набора, чтобы получить все возможные комбинации изменения веса в зависимости от изменения давления, или ν. Это изменение эквивалентно изменению веса газообразного водорода, который вытесняется образцом.

Аналогичным образом вычислите все соответствующие различия в давлении, чтобы получить изменение давления, или сведите в таблицу все пары изменений веса и давления для каждой температуры. Переведите единицы измерения температуры в кельвины, а единицы давления — в паскали.

Поскольку объем и температура остаются постоянными для каждой серии измерений, закон идеального газа можно записать как ? PV=?nRT. Поскольку ?n равно ?w, деленное на молекулярную массу водорода, вычислим каждое значение ?n для каждого значения ?w.

Построение графика произведения изменения давления на объем образца в зависимости от произведения N на температуру. Выполните линейный регрессионный анализ для определения наклона, который при правильном выполнении будет равен универсальной газовой постоянной.

Уравнение идеального газа используется во многих реальных сценариях, обычно выполняемых с газами при температуре и давлении окружающей среды. Все газы отклоняются от идеального поведения при высоком давлении; Однако некоторые газы, такие как углекислый газ, отклоняются больше, чем другие. В этом эксперименте были измерены отклонения от идеального поведения углекислого газа. Процедура была идентична предыдущему эксперименту, проводимому с водородом.

Был построен график зависимости давления от объема от молей и температуры, а также была рассчитана идеальная газовая постоянная по наклону графика. Углекислый газ значительно отклонялся от идеального поведения даже в условиях окружающей среды. Такое поведение было вызвано привлекательными межмолекулярными взаимодействиями, которые не наблюдались с водородом.

Закон идеального газа используется для идентификации и количественного определения взрывоопасных газов в пробах воздуха. Эта область исследований имеет чрезвычайно важное значение для вооруженных сил и безопасности.

В этом случае взрывчатые компоненты образца газа были количественно определены с помощью газовой хроматографии с температурной десорбцией. Эти данные, а также закон идеального газа были использованы для количественной оценки этих опасных веществ.

Вы только что посмотрели книгу JoVE «Введение в закон идеального газа». После просмотра этого видео вы должны понять концепцию закона и ситуации, в которых уравнение применимо.

Спасибо за просмотр!