Как найти объем с помощью давления

Уравнение Клапейрона-Менделеева (уравнение состояния идеального газа).

Уравнение Клапейрона-Менделеева (1834 г) устанавливает связь между объемом V, давлением P и абсолютной температурой Т для газа:

n – число молей газа ;

P – давление газа, Па;

V – объем газа, м 3 ;

T – абсолютная температура газа, К;

R – универсальная газовая постоянная 8,314 Дж/моль×K.

Если объём газа выражен в литрах, то уравнение Клапейрона-Менделеева записывается в виде:

Из уравнения Клапейрона-Менделеева следует три закона:

Уравнение Клапейрона-Менделеева. Связь между числом молей газа, его температурой, объемом и давлением.

Уравнение Клапейрона-Менделеева. Связь между числом молей газа, его температурой, объемом и давлением.

Калькулятор ниже предназначен для решения задач на использование уравнения Клапейрона-Менделеева, или уравнение состояния идеального газа. Некоторая теория изложена под калькулятором, ну а чтобы было понятно, о чем идет речь — пара примеров задач:

Примеры задач на уравнение Менделеева-Клапейрона

В колбе объемом 2,6 литра находится кислород при давлении 2,3 атмосфер и температуре 26 градусов Цельсия .
Вопрос: сколько молей кислорода содержится в колбе?

  • Некоторое количество гелия при 78 градусах Цельсия и давлении 45,6 атмосфер занимает объем 16,5 литров.
    Вопрос: Каков объем этого газа при нормальных условиях? (Напомню, что нормальными условиями для газов считается давление в 1 атмосферу и температура 0 градусов Цельсия)
  • В калькулятор вводим начальные условия, выбираем, что считать (число моль, новые объем, температуру или давление), заполняем при необходимости оставшиеся условия, и получаем результат.

    Уравнение Клапейрона-Менделеева. Связь между числом молей газа, его температурой, объемом и давлением.

    Теперь немного формул.

    где
    P — давление газа (например, в атмосферах)
    V — объем газа (в литрах);
    T — температура газа (в кельвинах);
    R — газовая постоянная (0,0821 л·атм/моль·K).
    Если используется СИ, то газовая постоянная равна 8,314 Дж/K·моль

    Так как m-масса газа в (кг) и M-молярная масса газа кг/моль, то m/M — число молей газа, и уравнение можно записать также

    где n — число молей газа

    И как нетрудно заметить, соотношение

    есть величина постоянная для одного и того же количества моль газа.

    И эту закономерность опытным путем установили еще до вывода уравнения. Это так называемые газовые законы — законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака, Шарля.

    Так, закон Бойля-Мариотта гласит (это два человека):
    Для данной массы газа m при неизменной температуре Т произведение давления на объем есть величина постоянная.

    Закон Гей-Люссака (а вот это один человек):
    Для данной массы m при постоянном давлении P объем газа линейно зависит от температуры

    Закон Шарля:
    Для данной массы m при постоянном объеме V давление газа линейно зависит от температуры

    Посмотрев на уравнение, нетрудно убедиться в справедливости этих законов.

    Уравнение Менделеева-Клапейрона, также как и опытные законы Бойля-Мариотта, Гей-Люссака и Шарля справедливы для широкого интервала давлений, объемов и температур. То есть во многих случаях эти законы удобны для практического применения. Однако не стоит забывать, что когда давления превышают атмосферное в 300-400 раз, или температуры очень высоки, наблюдаются отклонения от этих законов.
    Собственно, идеальный газ потому и называют идеальным, что по определению это и есть газ, для которого не существует отклонений от этих законов.

    Уравнение Клапейрона-Менделеева

    Что такое уравнение Клапейрона-Менделеева

    Идеальный газ — это газ, в котором пренебрегают взаимодействием молекул газа между собой.

    Идеальными считают разреженные газы. Особенно близкими к идеальным считают гелий и водород.

    Идеальный газ — это упрощенная математическая модель, которая широко применяется для описания свойств и поведения реальных газов при атмосферном давлении и комнатной температуре.

    Давление, объем и температура — это основные параметры состояния системы, и они связаны друг с другом. Соотношение, при котором определяется данная связь, называется уравнением состояния данного газа.

    Существует эквивалентная макроскопическая формулировка идеального газа — это такой газ, который одновременно будет подчиняться закону Бойля-Мариотта и Гей-Люссака, то есть:

    p V = c o n s t * T

    В представленном выше уравнении состоянии газа под const подразумевается количество молей.

    Свойства классического и квазиклассического идеального газа описываются уравнением состояния идеального газа, которое называется уравнением Менделеева-Клапейрона, ниже представлена формула Менделеева-Клапейрона.

    p V = m M R T = n R T , где m — масса газа, M — молярная масса газа, R = 8 , 314 Д ж / ( м о л ь * К ) — универсальная газовая постоянная, T — температура (К), n — количество молей газа.

    Таким образом давление и объем прямо пропорциональны количеству молей и температуре.

    Также уравнение Клапейрона-Менделеева можно записать в ином виде:

    p V = N k T , где N — это количество молекул газа массой m , k = 1 , 38 * 10 — 23 Д ж / К — постоянная Больцмана, которая определяет «долю» газовой постоянной, приходящуюся на одну молекулу и определяется по формуле:

    N = m N A M , где

    N A = 6 . 02 * 10 23 м о л ь — 1 ; — это постоянная Авогадро.

    Какое значение имеет универсальная газовая постоянная

    Универсальная газовая постоянная (R) — это величина, которая является константой, численно равная работе расширения одного моля идеального газа в изобарном процессе при увеличении температуры на 1 K.

    Значение данной константы находится как произведение постоянной Больцмана ( k = 1 , 38 * 10 — 23 Д ж / К ) на число Авогадро ( N A = 6 . 02 * 10 23 м о л ь — 1 ) . Таким образом универсальная газовая постоянная принимает следующее значение: R = 8 , 314 Д ж / ( м о л ь * К ) .

    Постоянную Больцмана используют в формулах, описывающих изучаемое явление или поведение рассматриваемого объекта с микроскопической точки зрения, тогда как универсальная газовая постоянная более удобна при расчетах, касающихся макроскопических систем, когда число частиц задано в молях.

    Связь с другими законами состояния идеального газа

    С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса и один трех макропараметров (давление, температура или объем) — остаются неизменными.

    Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном третьем параметре называют газовыми законами, которые связывают эти параметры.

    Изопроцессы — это термодинамические процессы, во время протекания которых количество вещества и один из макропараметров состояния: давление, объем, температура или энтропия — остается неизменным.

    В зависимости от того, какой параметр остается неизменным различают разные процессы, которые выражаются законами, являющимися следствием уравнения состояния газа:

    • изотермический процесс (T=const);
    • изохорный процесс (V=const);
    • изобарный процесс (p=const).

    Изотермический процесс (T=const)

    Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянной температуре называют изотермическим.

    Для поддержания температуры газа постоянной необходимо, чтобы он мог обмениваться теплотой с большой системой — термостатом. Им может служить атмосферный воздух, если температура его заметно не меняется на протяжении всего процесса.

    Согласно уравнению Клапейрона-Менделеева, в любом состоянии с неизменной температурой произведение давления газа на объем одно и то же, то есть постоянно:

    Этот закон был открыт экспериментально английским ученым Бойлем и несколько позднее французским ученым Мариоттом. Именно поэтому он называется закон Бойля-Мариотта.

    Закон Бойля-Мариотта справедлив для любых газов, а также для смеси газов (например, для воздуха).

    Зависимость давления газа от объема при постоянной температуре изображается графической кривой — изотермой. Изотерма для различных температур представлена в координатах pV на рис.1. и представляет собой гиперболу.

    Рис.1. Изотерма в pV — координатах.

    Изохорный процесс (V=const)

    Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме называют изохорным.

    Из уравнения состояния следует, что отношение давлений газа данной массы при постоянно объеме равно отношению его абсолютных температур:

    p 1 p 2 = T 1 T 2

    Газовый закон был установлен экспериментально в 1787 г. французским физиком Ж. Шарлем и носит название закона Шарля: давление данной массы газа при постоянном объеме прямо пропорционально абсолютной температуре.

    Так, если в качестве одного из состояний газа выбрать состояние газа при нормальных условиях, тогда

    p = p 0 T T 0 = p 0 γ T

    Коэффициент γ называют температурным коэффициентом давления газа. Он одинаков для всех газов.

    Зависимость давления газа от температуры при постоянном объеме изображается графически прямой, которая называется изохорой (Рис.2).

    Рис.2 Изображение изохоры в pT-координатах.

    Изобарный процесс (p=const)

    Процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении называют изобарным.

    Из уравнения Клапейрона-Менделеева вытекает, что отношение объемов газа данной массы при постоянном давлении равно отношению его абсолютных температур.

    V 1 V 2 = T 1 T 2

    Если в качестве второго состояния газа выбрать состояние при нормальных условиях (нормальном атмосферном давлении, температуре таяния льда) следует:

    V = V 0 T T 0 = V 0 α T

    Этот газовый закон был установлен экспериментально в 1802 г французским ученым Гей-Люссаком.

    Закон Гей-Люссака: объем данной массы газа при постоянном давлении прямо пропорционален абсолютной температуре.

    Коэффициент α называют температурным коэффициентом объемного расширения газов.

    Зависимость объема газа от температуры при постоянном давлении изображается графической прямой, которая называется изобарой (Рис.3).

    Рис. 3. Изобара в VT-координатах.

    Использование универсального уравнения для решения задачи

    В реальности проводятся различные физико-химические процессы. Рассмотрим каким образом уравнение состояния идеального газа и законы, связанные с ним находят применение для решения физических и химических задач.

    Определить давление кислорода в баллоне объемом 1 м 3 при температуре t = 27 C o . Масса кислорода 1 кг.

    Так как в уравнении даны объем и температура — два из трех макроскопических параметров, а третий (давление) нужно определить, то мы можем использовать уравнение Клапейрона-Менделеева:

    p V = n R T = m M R T

    Не забываем перевести температуру в Кельвины:

    T = t + 273 = 27 + 273 = 300 K

    Молярная масса кислорода известна из таблицы Менделеева:

    M ( O 2 ) = 2 * 16 = 32 г / м о л ь = 32 * 10 — 3 к г / м о л ь

    Выразим из уравнения состояния давления и поставим все имеющиеся данные:

    p = n R T V = m R T M V = 1 * 8 . 31 * 300 32 * 10 — 3 * 1 = 77 . 906 П а = 78 к П а

    Ответ: p = 78 кПа.

    Каким может быть наименьший объем баллона, содержащего кислород массой 6,4 кг, если его стенки при t = 20 C o выдерживают p = 1568 Н / с м 2 ?

    Используем уравнение Менделеева-Клапейрона, из которого выражаем объем кислорода, который нужно найти:

    p = n R T V = m R T M V

    Молярная масса кислорода предполагается равной:

    M ( O 2 ) = 2 * 16 = 32 г / м 3

    Не забываем перевести температуру в Кельвины:

    T = t + 273 = 20 + 273 = 293 K

    Переводим давление: p = 15680000 Па

    Выражаем из уравнения Клапейрона-Менделеева объем и подставляем значения, данные в условиях задачи:

    V = n R T p = m R T M p = 6 . 4 * 8 . 31 * 293 15680000 * 32 * 10 — 3 = 3 . 1 * 10 — 2 м 3 = 31 л .

    Используя уравнение состояния идеального газа, доказать, что плотность любого газа равна половине плотности водорода ( ρ Н 2 ) , взятого при тех же условиях, умноженной на относительную молекулярную массу этого газа M_r, то есть ρ = ρ Н 2 * M r 2 .

    Согласно уравнению Менделеева-Клапейрона:

    p = n R T V = m R T M V

    Плотность — это величина, характеризующая массу некоторого объема и находится по формуле:

    ρ = m V и л и V = m ρ

    Тогда p m ρ = n R T = m R T M

    Откуда выражаем плотность газа:

    Для водорода эта формула запишется следующим образом:

    ρ H 2 = p M H 2 R T

    По условию задачи водород и любой другой газ находятся при одинаковых условиях, откуда следует, что:

    ρ H 2 M H 2 = p R T

    Поставим последнее выражение в выражение для плотности любого газа:

    ρ = M * ρ H 2 M H 2

    Молярная масса водорода, исходя из таблицы Менделеева равна 2 г/моль и тогда. Молекулярная масса численно равная молярной и представляет собой массу молекулы в атомных единицах, поэтому в дальнейшем мы совершили переход к молекулярной массе.

    ρ = M r * ρ H 2 2

    Вывод: плотность любого газа равна половине плотности водорода ( ρ Н 2 ) , взятого при тех же условиях, умноженной на относительную молекулярную массу этого газа M_r, то есть ρ = ρ Н 2 * M r 2 .

    Рассмотрим несколько задач на законы, связанные с уравнение Клапейрона-Менделеева, то есть на изотермические, изохорные, изобарные процессы.

    При уменьшении давления газа в 2,5 раза его объем увеличился на 12 л. Какой объем занимал газ в начальном состоянии, если температура на протяжении всего процесса оставалась постоянной?

    По условию задачи температура в ходе всего процесса оставалась постоянной, откуда следует, что у нас изотермический процесс, и мы можем воспользоваться для решения законом Бойля-Мариотта.

    p 1 V 1 = p 2 V 2 , г д е p 1 – давление газа в начальном состоянии (до расширения), V 1 — объем газа в начальном состоянии, p 2 = p 1 2 . 5 — давление газа в конечном состоянии (после расширения), V 2 = V 1 + ∆ V — объем газа в конечном состоянии.

    Откуда можем найти начальный объем:

    p 1 V 1 = p 1 2 . 5 ( V 1 + ∆ V ) = p 1 2 . 5 V 1 + p 1 2 . 5 ∆ V

    V 1 ( p 1 — p 1 2 . 5 ) = p 1 2 . 5 ∆ V

    p 1 2 . 5 V 1 ( 2 . 5 — 1 ) = p 1 2 . 5 ∆ V

    V 1 = ∆ V 1 , 5 = 8 л

    Ответ: первоначальный объем газа был равен 8 л.

    Газ находится в баллоне при температуре 400 К. До какой температуры нужно нагреть газ, чтобы его давление увеличилось в 1,5 раза?

    Так как нагревание газа по условиям данной задачи происходит при постоянном объеме, значит перед нами изохорный процесс.

    При изохорном процессе:

    p 1 T 1 = p 2 T 2

    T 2 = p 2 T 1 p 1

    p 2 p 1 = 1 . 5 T 2 = 1 . 5 * T 1 = 1 . 5 * 400 = 600 K

    При 27°C объем газа равен 600 мл. Какой объем займет газ при 57°C, если давление будет оставаться постоянным?

    Так как давление по условию остается постоянным, то можем использовать закон Гей-Люссака.

    V 1 V 2 = T 1 T 2

    V_2 – искомый объем

    Для правильного расчета необходимо перевести температуры из Цельсий в Кельвины:

    T 1 = 273 + 27 = 300 K

    T 2 = 273 + 57 = 330 K

    T 2 V 1 T 1 = V 2

    V 2 = ( 600 * 330 ) / 300 = 660 м л

    Газ в трубе плавильной печи охлаждается от температуры t 1 = 1150 ° С д о t 2 = 200 ° С . Во сколько раз увеличивается плотность газа при этом? Давление газа не меняется.

    Так как по условию задания давления газа не изменяется, значит перед нами изобарный процесс. Для решения воспользуемся законом Гей-Люссака:

    V 1 V 2 = T 1 T 2

    Перейдем к абсолютной температуре:

    T 1 = 1150 + 273 = 1423 K

    T 2 = 200 + 273 = 473 K

    Масса газа: m = ρ 1 V 1 = ρ 2 V 2

    Использование этих формул приводит к следующему:

    источники:

    http://planetcalc.ru/4265/

    http://wika.tutoronline.ru/fizika/class/10/uravnenie-klapejronamendeleeva

    Смесям идеальных газов характерно свойство аддитивности двух показателей: парциального давления и объёма. Другими словами, любому включённому в смесь инертному газу характерно такое поведение, какое было бы, если б он в единственном числе заполнял предлагаемый объём. Для лучшего понимания разумно разобраться, что выражают указанные величины.

    Определения

    Давление – действующая на единицу поверхности сила, прямопропорциональная числу и скоростью сталкивающихся с этой поверхностью молекул, зависящей от температуры.

    Парциальное давление – давление, оказываемое компонентом газовой смеси, при условии удаления других компонентов из занимаемого объёма, сохраняя этот объём и текущую температуру.

    Объём – ограниченное чертой трёхмерное пространство, вмещающее вещество и отображающее его форму.

    Парциальный объём – объём, занимаемый компонентом газовой смеси, при условии удаления других компонентов из занимаемого объёма, сохраняя первоначальное давление и температуру.

    Идеальный газ – научная модель для познания газов, не учитывающая силу молекулярного взаимодействия.

    Смесь идеальных газов – это совокупность газов, каждый из которого, находясь в смеси, при сохранении заданных условий, не вступает в химическую реакцию с остальными компонентами.

    Говоря об идеальных газах и их смеси, следует понимать, что изменение условий, например температуры или давления, всё же может спровоцировать химическую реакцию. Важным параметром такой смеси является молярная (весовая) концентрация газового компонента. Данная величина измеряется в мг/м3 и показывает количество конкретного компонента в единице объёма газовой смеси.

    Парциальное давление

    Описывая характеристику состояния компонентов идеальной смеси газообразных веществ, парциальное давление, создаваемое i-ым газом в случае удаления других компонентов из сохраняемых условий, является показателем pi.

    Формула

    Формула парционального давления:

    [p i=frac{m_{i}}{mu_{i}} frac{R T}{V}=mu_{i} frac{R T}{V}]

    Где V– объём смеси, R = 8,31
    Дж/моль*K– универсальная газовая постоянная, а T
    температура.

    Следует отметить, что равность средней кинетической энергии находящихся в смеси молекул определяет равенство температур всех компонентов термодинамически уравновешенной газовой смеси. Найти общее давление смеси идеальных газов представляется возможным через закон Дальтона, отражаемый аддитивность парциальных давлений, а именно [p=sum p_{i}].

    Пользуясь данным законом, найдём давление смеси идеальных газов через следующую формулировку: [p=sum_{i}^{N}=1 rightarrow p_{i}=frac{R T}{V} sum_{i}^{N}=1^{v_{i}}], где N – количество вошедших в смесь газов, vi– количественный показатель молей i-го газа. Отсюда парциальное давление можно выразить формулой [p_{i}=x_{i} p], где xi – молярная концентрация i-го газа.

    Понятие парциального объёма

    Описывая характеристику состояния компонентов идеальной смеси газообразных веществ, парциальный объём, занимаемый i-ым газом в случае удаления других компонентов из сохраняемых условий, является показателем Vi. Аддитивность парциального объёма определяет закон Амага, выраженный формулой [V=sum_{i}^{N}=1 V_{i}].

    Формула

    Пользуясь данным законом, можно вывести формулу нахождения парциального объёма через следующую формулировку:
    [v_{i}=frac{p^{V_{i}}}{R T}]; [p=frac{R T}{V} frac{p}{R T} sum_{i}^{N}=mathbf{1}^{V}_{i}] , отсюда
    следует, что
    — [boldsymbol{V=sum_{i}^{N}=1^{V_{i}}}, text{ а } boldsymbol{V_{i}=x_{i} V}].

    Зная, что характеризующие состояние смеси инертных газов показатели подчиняются уравнению Менделеева-Клапейрона, выведем формулу:

    [p V=frac{m}{mu_{s m}} R T] данное уравнение свои параметры относит ко всей газовой смеси.

    [pV=mR_{s m} T] такой вариант уравнения содержит показатель Rsm, обозначающий удельную газовую составляющую смеси.

    Уравнение Менделеева-Клапейрона показывает возможность изменения трёх характеризующих состояние идеального газа параметров.

    Нет времени решать самому?

    Наши эксперты помогут!

    Примеры вычисления парциального давления и объёма

    Задача №1

    Условие: в сосуде объёмом 2 м3, при постоянной температуре 290 К находится 0,20*10-3 кг гелия и 1*10-3 кг водорода. Необходимо вычислить давление смеси и парциальное давление гелия.

    Решение.

    Сначала вычислим количество молей каждого компонента, используя следующую формулу:

    [mathrm{v}{mathrm{i}}=frac{mathrm{m}{mathrm{i}}}{mu_{mathrm{i}}}]

    Для расчёта количество молей водорода в смеси нам понадобится его молярная масса, которую возьмём из таблицы Менделеева:

    [mu_{mathrm{H}_{2}}=2 * 10^{-3} frac{mathrm{кг}}{text { моль }}]

    Теперь можно найти количество молей водорода в смеси:

    [mathrm{v}_{mathrm{H}_{2}}=frac{mathrm{m}_{mathrm{H}_{2}}}{mu_{mathrm{H}_{2}}}=frac{1 * 10^{-3}}{2 * 10^{-3}}=0,5 text { (моль) }]

    Зная молярную массу гелия из таблицы Менделеева, рассчитаем количество молей гелия в смеси:

    [mathrm{v}_{mathrm{He}}=frac{mathrm{m}_{mathrm{He}}}{mu_{mathrm{He}}}=frac{4 * 10^{-3}}{20 * 10^{-3}}=0,2 text { (моль) }]

    Теперь можно найти парциальное давление каждого из компонентов с помощью уравнения Менделеева-Клапейрона:

    [mathrm{p}_{mathrm{i}} mathrm{V}=mathrm{v}_{mathrm{i}} mathrm{RT}]

    Сначала нужно рассчитать давление водорода:

    [mathrm{p}_{mathrm{H}_{2}} mathrm{~V}=mathrm{v}_{mathrm{H}_{2}} mathrm{RT} rightarrow mathrm{p}_{mathrm{H}_{2}}=frac{mathrm{v}_{mathrm{H}_{2}} mathrm{RT}}{mathrm{V}}=frac{0,5 * 8,31 * 290}{1}=1205 text { (Па) }]

    Рассчитаем парциальное давление гелия:

    [mathrm{p}_{mathrm{He}}=frac{mathrm{v}_{mathrm{He}} mathrm{RT}}{mathrm{V}}=frac{0,2 * 8,31 * 290}{1}=482 text { (Па) }]

    Теперь найдём полное давление газовой смеси, сложив значения компонентов:

    [mathrm{p}=mathrm{p}_{mathrm{H}_{2+}} mathrm{p}_{mathrm{H}}=1205+482=1687 text { Па }]

    Ответ: парциальное давление гелия равно 482 Па, а общее давление 1205 Па.


    Задача №2

    Условие: идеальная газовая смесь состоит из 0,5 кг углекислого газа и 0,25 кг кислорода, какой объём они займут, если давление равно 1 атм, а температура смеси равна 300 К?

    Решение.

    Найдём суммарную массу газовой смеси:

    [mathrm{m}=mathrm{m}_{mathrm{O}_{2}}+mathrm{m}_{mathrm{CO}_{2}}=0,5+0,25=0,75 text { (кг) }]

    Вычислим массовые компоненты смеси:

    [g_{mathrm{O}_{2}}=frac{0,25}{0,75}=0,33] [mathrm{g}_{mathrm{CO}_{2}}=frac{0,5}{0,75}=0,67]

    Тогда газовая постоянная смеси равняется:

    [mathrm{R}_{mathrm{sm}}=mathrm{R} sum_{mathrm{i}=1}^{mathrm{N}} frac{mathrm{g}_{mathrm{i}}}{mu_{mathrm{i}}}=8,31left(frac{0,33}{32 * 10^{-3}}+frac{0,67}{46 * 10^{-3}}right)=200left(frac{text { Дж }}{text { кгК }}right)]

    Пользуясь уравнением Менделеева-Клапейрона, и, зная, что 1 атм равна 105 Па,вычислим объём смеси:

    [mathrm{V}_{mathrm{sm}}=frac{mathrm{m}_{mathrm{sm}} mathrm{R}_{mathrm{sm}} mathrm{T}_{mathrm{sm}}}{mathrm{P}_{mathrm{sm}}}=frac{0,75 * 200 * 300}{10^{5}}=0,45left(mathrm{м}^{3}right)]

    Ответ: при заданных условиях смесь займёт 0,45 м3.

    Навык определения парциальных давлений и объёма актуален в машиностроении, энергетике и других промышленностях, связанных с использованием тепловых двигателей, приводимых в действие парами высокой температуры.

    Как вычислить объем газа

    Газ, как и вещества, находящиеся в других агрегатных состояниях, имеет ряд параметров, в число которых входит и объем. Объем газа находится на основании других его характеристик, которые приведены в условии задачи. Любой газ, независимо от вида и состава, имеет объем, который и требуется найти во многих задачах.

    Как вычислить объем газа

    Инструкция

    Газ, независимо от его состава, имеет три основных параметра: массу, объем и плотность. В большинстве задач оперируют так называемым идеальным газом, поэтому опираться в них необходимо лишь на приведенные в условии значения массы, давления, температуры. Например, в условии задачи может быть указан газ азот N2 с температурой в 60 градусов, давлением в 30 кПа и массой в 0,05 г. Зная эти три параметра и состав газа, по уравнению Менделеева-Клапейрона можно найти его объем. Для этого необходимо переделать данное уравнение следующим образом:

    pV=mRT/M.

    Осуществив дальнейшее преобразование формулы, найдите объем азота:

    V =mRT/pM.

    При этом молярную массу M можно найти по таблице Д.И. Менделеева. У азота она равна 12 г/моль. Тогда:

    V=0,05*12*8,31*333/30*12≈4,61.

    Если известны объем при нормальных условиях, а объем при других условиях является искомым, примените законы Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:

    pV/T=pнVн/Tн.

    В таком случае преобразуйте формулу следующим образом:

    pV*Tн=pнVн*T.

    Отсюда объем V равен:

    V=pнVн*T/p*Tн.

    Индекс н означает величину того или иного параметра при нормальных условиях.

    Если рассматривать объем газа с точки зрения термодинамики, можно заметить, что на газы могут действовать силы, за счет которых меняется объем. При этом давление газа постоянно, что характерно для изобарных процессов. В ходе таких процессов объем изменяется с одной величины на другую. Их можно обозначить как V1 и V2. В условиях ряда задач описывается некоторый газ, находящийся под поршнем в сосуде. При расширении этого газа поршень передвигается на некоторое расстояние dl, в результате чего осуществляется работа:

    A=pdV=p(V2 -V1).

    Эта формула связывает изменение объема газа и работу. Как известно, если дан конечный объем V2, то можно найти начальный объем V1:

    V1=pV2-A/p.

    Наконец, наиболее просто найти объем газа, исходя из двух других физических параметров — массы и плотности. Если в условиях задан газ с некоторой плотностью и массой, то его объем следует вычислять по формуле:

    V=m/ρ.

    У каждого газа имеется определенная плотность, как и у любого твердого или жидкого вещества. Поэтому, находя объем газа, в первую очередь необходимо учитывать именно этот параметр.

    Войти на сайт

    или

    Забыли пароль?
    Еще не зарегистрированы?

    This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy and Terms of Service apply.

    Закон Бойля — Мариотта (Давление и объем газа)

    Давление газа при постоянной температуре пропорционально числу молекул газа,
    находящихся в данном объеме, т.е. массе газа.
    Состояние газов описывается законом Бойля — Мариотта:

    При постоянной температуре объем находящегося в замкнутом
    сосуде газа обратно пропорционален давлению,

    Закон Бойля - Мариотта (Давление и объем газа)

    Закон Бойля — Мариотта (Давление и объем газа)

    или

    При постоянной температуре произведение давления газа, находящегося в замкнутом сосуде,
    на его объем есть постоянная величина,

    или

    При постоянной температуре давление и плотность находящегося в замкнутом сосуде газа пропорциональны друг другу

    Закон Бойля - Мариотта (Давление и объем газа)

    Закон Бойля — Мариотта (Давление и объем газа)

    Если

    p1 начальное давление газа, Па
    p2 конечное давление газа, Па
    V1 начальный объем газа, м3
    V2 конечный объем газа, м3

    то

    [ frac{p_1}{p_2} = frac{V_2}{V_1} ]

    или

    [ pV = const ]

    Закон Бойля — Мариотта (Давление и объем газа)

    стр. 507

    Закон Бойля-Мариотта — один из фундаментальных законов физики и химии, который связывает изменения давления и объема газообразных веществ. При помощи нашего калькулятора легко решить простые задачи по физике или химии.

    Закон Бойля-Мариотта

    Изотермический газовый закон был открыт ирландским ученым Робертом Бойлем, который проводил опыты над газами под давлением. При помощи U-образной трубки и обычной ртути Бойль установил простую закономерность, что в каждый момент времени произведение давления на объем газа неизменно. Если говорить сухим математическим языком, то закон Бойля-Мариотта гласит, что при неизменной температуре произведение давления и объема постоянно:

    P×V = const.

    Для сохранения постоянного соотношения величины должны изменяться в разные стороны: во сколько раз уменьшится одна величина, во столько же раз увеличится другая. Следовательно, давление и объем газа обратно пропорциональны и закон можно переписать в следующем виде:

    P1×V1 = P2×V2,

    где P1 и V1 — начальные значения давления и объема соответственно, а P2 и V2 — конечные значения.

    Применение закона Бойля-Мариотта

    Наилучшей иллюстрацией проявления открытого Бойлем закона является погружение пластиковой бутылки под воду. Известно, что если газ помещен в баллон, то давление на вещество будет определяться только стенками баллона. Другое дело, когда это пластичная бутылка, которая легко изменяет свою форму. На поверхности воды (давление 1 атмосфера) закрытая бутылка будет сохранять свою форму, однако при погружении на глубину 10 м на стенки сосуда будет действовать давление в 2 атмосферы, бутылка начнет сжиматься, а объем воздуха уменьшится в 2 раза. Чем глубже будет погружаться пластиковая тара, тем меньший объем будет занимать воздух внутри нее.

    Это простая демонстрация действия газового закона иллюстрирует важный вывод для многих дайверов. Если на поверхности воды баллон с воздухом имеет емкость 20 л, то при погружении на глубину 30 м, воздух внутри сожмется в три раза, следовательно, воздуха для дыхания на такой глубине будет в три раза меньше, чем на поверхности.

    Помимо дайверской темы, закон Бойля-Мариотта в действии можно наблюдать в процессе сжатия воздуха в компрессоре или в расширении газов при использовании насоса.

    Наша программа представляет собой онлайн-инструмент, при помощи которого легко рассчитать пропорцию для любого газового изотермического процесса. Для использования инструмента вам требуется знать три любые величины, а калькулятор автоматически рассчитает искомую.

    Примеры работы калькулятора

    Школьная задача

    Рассмотрим простую школьную задачку, в которой требуется найти первоначальный объем газа, если давление изменилось с 1 до 3 атмосфер, а объем уменьшился до 10 л. Итак, у нас есть все данные для расчета, которые требуется ввести в соответствующие ячейки калькулятора. В итоге получаем, что первоначальный объем газа составлял 30 литров.

    Еще о дайвинге

    Вспомним пластиковую бутыль. Представим, что мы погрузили бутыль, наполненную 19 л воздуха на глубину 40 м. Как изменится объем воздуха на поверхности? Это более сложная задачка, но только потому, что нам требуется перевести глубину в давление. Мы знаем, что на поверхности воды атмосферное давление составляет 1 бар, а при погружении в воду давление увеличивается на 1 бар каждые 10 м. Это означает, что на глубине 40 м бутыль будет под давлением приблизительно 5 атмосфер. У нас есть все данные для расчета, и в результате мы увидим, что объем воздуха на поверхности увеличится до 95 литров.

    Заключение

    Закон Бойля-Мариотта встречается в нашей жизни довольно часто, поэтому вам несомненно пригодится калькулятор, который автоматизирует расчеты по этой простой пропорции.

    Понравилась статья? Поделить с друзьями:
  • Как найти все части программы
  • Как найти угол треугольника по трем точкам
  • Как найти среднегодовую температуру воздуха 6 класс
  • Как найти друзей в анапе
  • Как можно найти удачу