ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ И ИХ ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ В ЖИЗНИ

​АННОТАЦИЯ

В этой статье мы рассматриваем газовые законы: закон Бойля, закон Шарля и закон Гей-Люссака, а также идеальный газовый закон; а также их практическое применение в повседневности. Газовые законы используются для описания идеальных газов. Формулы газовых законов обеспечивают связь между переменными давлением, объемом, количеством вещества и абсолютной температурой.

Ключевые слова: закон Бойля, закон Шарля, закон Гей-Люссака, закон Авогадро, идеальный газовый закон.

Законы газа были разработаны в конце 1800-х годов, когда ученые поняли взаимосвязь между давлением, объемом и температурой образца газа. Эти соотношения, в свою очередь, были бы, приблизительно, справедливы для всех газов. Тем не менее, все газы ведут себя аналогично. В газах отдельные частицы расположены на большом расстоянии друг от друга. "Кинетическая теория газов" выводит "Уравнение состояния’ идеального газа. Разные ученые провели многочисленные эксперименты и, следовательно, выдвинули разные газовые законы, которые относятся к разным переменным состояния газа.

Переменными состояния газа являются:

Давление, P (мм рт. ст., атм, кПа и Торр)

Объем, V (л)

Температура, T (K)

Количество вещества, н.

Закон Бойля: закон соотношения давления и объема

Закон Бойля гласит, что при постоянной температуре объем данной массы газа обратно пропорционален давлению; т.е. при постоянной температуре V ∝ 1/P или PV= const.

Доказательство: Из кинетической теории газов мы знаем:

где c - среднеквадратичная скорость молекул, m1 - масса молекулы, V - объем, а N - количество молекул. Теперь, при постоянной температуре, c, N и

m1 являются постоянными; следовательно,

Когда давление увеличивается, объем газа уменьшается; и наоборот. Следующее уравнение может быть выведено из закона Бойля:

Примеры: Когда в шину заливается сжатый воздух, учитываются измерения давления. По мере того, как шина накачивается все большим количеством воздуха при одинаковой температуре, все молекулы газа вынуждены собираться вместе, уменьшать свой объем и увеличивать давление на стенки шины.

При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон, и в следствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох.

Закон Чарльза: Закон соотношения температуры и объема

Закон Чарльза или Закон объема гласит, что при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре; т.е. при постоянном давлении V ∝ T или V/ T =const.

Доказательство: теперь как c2 ∝ T, таким образом, при постоянном давлении для данной массы газа, V ∝ T.

С повышением температуры газа увеличивается и объем газа. Более того, начальную и конечную температуру, а также объем газа можно легко определить;

Примеры: Если оставить баскетбольный мяч снаружи в холодные месяцы, он сдувается. Вы заметите, что когда шар оставляют в более холодных условиях, из него начинает выходить воздух или его объем начинает уменьшаться. Это доказывает, что при постоянном давлении, если происходит понижение температуры, объем также уменьшается.

 Если вы любите пинг-понг, также называемый настольным теннисом, то вы наверняка столкнулись с помятым мячом для пинг-понга. Вместо того, чтобы выбросить его, вы можете восстановить его, поместив в кастрюлю, наполовину наполненную водой. Слегка нагрейте кастрюлю, постоянно помешивая. Если вмятина не потрескалась, воздух внутри при нагреве будет расширяться, выталкивая вмятину и восстанавливая первоначальную форму шара.

Закон Гей-Люссака: закон соотношения давления и температуры

Закон Гей-Люссака гласит, что при постоянном объеме давление газа данной массы прямо пропорционально его абсолютной температуре; т. е. при постоянном объеме P ∝ T или P/ T = const.

Доказательство: Из кинетической теории газов мы знаем:

Теперь как c^2 ∝ T, таким образом, при постоянном объеме, P ∝ T для данной массы газа.

С повышением температуры увеличивается и давление. При аналогичном условии можно рассчитать начальное и конечное давление и температуру для данного объема газа.;

При расчётах часто используют также закон Гей-Люссака (закон объёмных отношений), который можно выразить следующим образом:

В газовых реакциях отношение объёмов реагирующих веществ равно отношению соответствующих коэффициентов в уравнении реакции.

Для реакции вида

протекающей в газовой фазе, объёмы реагирующих веществ связаны соотношением:

Так, метан сгорает по уравнению реакции:

Согласно закону объёмных отношений, один объём метана реагирует с двумя объёмами кислорода, при этом образуется один объём углекислого газа.

С помощью закона объёмных отношений впервые в химии были правильно определены формулы многих газообразных веществ, например водорода, кислорода , азота , а также воды .

Примеры: Работа скороварки подчиняется закону Гей-Люссака. С повышением температуры давление внутри скороварки также увеличивается, что ускоряет приготовление пищи.

Попадание пламени на аэрозольный баллон. - Аэрозольные баллончики, которые находятся вблизи открытого пламени (или даже внутри горячих автомобилей), вызывают повышение давления в канистре. Это может привести к разрушению и разрушению конструкции контейнера.

Закон Авогадро

Закон Авогадро гласит, что при постоянной температуре, давлении и объеме все газы содержат равное количество молекул. 1 моль любого газа при NTP занимает объем 22,4 Л. Это важно для определения взаимосвязи между количеством газа (N) и объемом газа (V).

Доказательство: Из кинетической теории газов мы знаем;

Теперь, когда c ^ 2 ∝ T, таким образом, при постоянных V, P и T,

 N= const для данной массы газа.

Если количество молекул газа увеличивается, объем газа также увеличивается;

Если температура и давление остаются постоянными, отношение объема к объему будет постоянным;

Примеры: Когда вы вдыхаете воздух, ваши легкие расширяются. Аналогично, объем ваших легких уменьшается при выдохе.

Шар, наполненный гелием, весит намного меньше, чем такой же шар, наполненный воздухом. Оба воздушных шара содержат одинаковое количество молекул. Атомы гелия имеют меньшую массу, чем молекулы кислорода или молекулы азота в воздухе, поэтому гелиевый шар легче.

Закон о комбинированном газе

Теперь мы можем легко объединить закон Бойля, закон Чарльза и закон Гей-Люссака в ‘Комбинированное уравнение закона газа’ или ‘Общее уравнение газа’. Он определяет взаимосвязь между давлением, объемом и температурой для данного количества газа.

Данный объем газа прямо пропорционален температуре по Кельвину и обратно пропорционален давлению.

Начальный и конечный объем и температуру также можно рассчитать;

Закон идеального газа

Закон идеального газа (уравнение Клапейрона-Менделеева) получается путем добавления закона Авогадро к закону комбинированного газа:

где;

P = давление,

V = объем,

n = количество молей,

R= универсальная газовая постоянная, 8,3144598 (кПа ∙Л) / (моль ∙К), и

T = температура (K)

Другой формулировкой закона идеального газа может быть;

где,

P = давление,

V = объем,

N = количество молекул газа,

k= постоянная Больцмана, 1,381 ×Дж·К-1 в единицах СИ, и

T = температура (K)

Заключение

В заключение, газовые законы являются основой для понимания поведения газов и их свойств. Закон Бойля, закон Шарля и закон Гей-Люссака описывают зависимость между давлением, объемом и температурой газа. Идеальный газовый закон объединяет эти законы и позволяет рассчитывать значения этих параметров. Знание и применение газовых законов в химии и физике позволяет нам понять и предсказать поведение газовых систем.

Список литературы:

1. Грабовский Р.И. Курс физики / Р. И. Грабовский. – СПб.; Издательство «Лань», 2002.-608 с.
2. Пронин В.П. Краткий курс физики / В.П. Пронин. – Саратов: ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ», 2007 г. – 200 с.
3. Трофимова Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: «Высшая школа». 2003 г. – 350с.
4. Гольбрайх З.Е. Сборник задач и упражнений по химии. – М.: «Высшая школа».1984 г.
5. Трофимова Т.И. Физика в таблицах. М.: «Высшая школа». 2008г