Газовые законы - Gas laws

В этой статье рассказывается об историческом развитии законов, описывающих идеальные газы. Подробное описание законов идеального газа и их дальнейшего развития см. закон идеального газа.

В газовые законы были разработаны в конце 18 века, когда ученые начали понимать, что взаимосвязь между давление, объем и температура образца газ может быть получено, что будет соответствовать приближению для всех газов.

Закон Бойля

Основная статья: Закон Бойля

В 1662 году Роберт Бойль изучил взаимосвязь между объемом и давлением фиксированного количества газа при постоянной температуре. Он заметил, что объем данной массы газа обратно пропорционален его давлению при постоянной температуре. Закон Бойля, опубликованный в 1662 году, гласит, что при постоянной температуре произведение давления и объема данной массы газа идеальный газ в замкнутой системе всегда постоянна. Это можно проверить экспериментально с помощью манометра и емкости переменного объема. Это также можно вывести из кинетической теории газов: если емкость с фиксированным числом молекул внутри уменьшается в объеме, большее количество молекул ударяется в заданную область сторон емкости в единицу времени, вызывая большее давление. .

Формулировка закона Бойля выглядит следующим образом:

Объем данной массы газа обратно пропорционален давлению при постоянной температуре.

Концепцию можно представить следующими формулами:

${\displaystyle V\propto {\frac {1}{P}}}$, что означает "Объем обратно пропорционален давлению", или

${\displaystyle P\propto {\frac {1}{V}}}$, что означает «Давление обратно пропорционально объему», или

${\displaystyle PV=k_{1}}$, или

${\displaystyle P_{1}V_{1}=P_{2}V_{2}\,}$

где п давление, а V объем газа, а k₁ - константа в этом уравнении (и не то же самое, что константы пропорциональности в других уравнениях в этой статье).

Закон Чарльза

Основная статья: Закон Чарльза

Закон Карла, или закон объемов, был открыт в 1787 году Жаком Шарлем. В нем говорится, что для данной массы идеального газа при постоянном давлении объем прямо пропорционален его массе. абсолютная температура, предполагая в замкнутой системе.

Формулировка закона Чарльза выглядит следующим образом: объем (V) данной массы газа при постоянном давлении (P) прямо пропорционален его температуре (T). Как математическое уравнение, закон Чарльза записывается как :

${\displaystyle V\propto T\,}$, или

${\displaystyle V/T=k_{2}}$, или

${\displaystyle V_{1}/T_{1}=V_{2}/T_{2}}$,

где "V" объем газа, "Т" абсолютная температура и k₂ - константа пропорциональности (которая не совпадает с константами пропорциональности в других уравнениях в этой статье).

Закон Гей-Люссака

Основная статья: Закон Гей-Люссака

Закон Гей-Люссака, закон Амонтона или закон давления были найдены Жозеф Луи Гей-Люссак в 1808 г. В нем говорится, что для данной массы и постоянного объема идеального газа давление, оказываемое на стенки его сосуда, прямо пропорционально его массе. абсолютная температура.

В виде математического уравнения закон Гей-Люссака записывается как:

${\displaystyle P\propto T\,}$, или

${\displaystyle P/T=k}$, или

${\displaystyle P_{1}/T_{1}=P_{2}/T_{2}}$,

где п давление, Т - абсолютная температура, а k - еще одна константа пропорциональности.

Закон Авогадро

Основная статья: Закон Авогадро

Закон Авогадро (выдвинутый в 1811 году) гласит, что объем, занимаемый идеальным газом, прямо пропорционален количеству молекул газа, присутствующих в контейнере. Это приводит к молярный объем газа, который при STP (273,15 К, 1 атм) составляет около 22,4 л. Соотношение задается формулой

${\displaystyle {\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}}\,}$

где п равно количеству молекул газа (или количеству молей газа).

Законы комбинированного и идеального газа

Отношения между Бойля, Чарльза, Гей-Люссака, Авогадро, комбинированный и законы идеального газа, с Постоянная Больцмана k_B = р/N_А = п R/N  (в каждом законе свойства обведены переменные, а свойства, не обведенные кружком, остаются постоянными)

Основная статья: Закон идеального газа

В Закон о комбинированном газе или Общее уравнение газа получается путем объединения закона Бойля, закона Шарля и закона Гей-Люссака. Он показывает взаимосвязь между давлением, объемом и температурой для фиксированной массы (количества) газа:

${\displaystyle PV=k_{5}T\,}$

Это также можно записать как:

${\displaystyle \qquad {\frac {P_{1}V_{1}}{T_{1}}}={\frac {P_{2}V_{2}}{T_{2}}}}$

С добавлением Закон Авогадро, то комбинированный газовый закон развивается в закон идеального газа:

${\displaystyle PV=nRT\,}$

где

п давление

V объем

п это количество родинок

р универсальная газовая постоянная

Т это температура (К)

где константа пропорциональности, теперь называемая R, является универсальная газовая постоянная со значением 8,3144598 (кПа ∙ л) / (моль ∙ К). Эквивалентная формулировка этого закона:

${\displaystyle PV=NkT\,}$

где

п это давление

V объем

N это количество молекул газа

k это Постоянная Больцмана (1.381×10⁻²³ Дж · К⁻¹ в единицах СИ)

Т это температура (К)

Эти уравнения точны только для идеальный газ, который не учитывает различные межмолекулярные эффекты (см. настоящий газ ). Однако закон идеального газа является хорошим приближением для большинства газов при умеренном давлении и температуре.

Этот закон имеет следующие важные последствия:

1. Если температура и давление поддерживаются постоянными, то объем газа прямо пропорционален количеству молекул газа.
2. Если температура и объем остаются постоянными, то давление газа изменяется прямо пропорционально количеству присутствующих молекул газа.
3. Если количество молекул газа и температура остаются постоянными, то давление обратно пропорционально объему.
4. Если температура изменяется, а количество молекул газа остается постоянным, то давление или объем (или и то и другое) изменяются прямо пропорционально температуре.

Другие газовые законы

Закон Грэма

утверждает, что скорость, с которой молекулы газа размытый обратно пропорциональна квадратному корню из плотности газа при постоянной температуре. В сочетании с законом Авогадро (т.е. поскольку равные объемы имеют равное количество молекул) это то же самое, что и обратно пропорционально корню из молекулярной массы.

Закон Дальтона из парциальные давления

утверждает, что давление смеси газов просто является суммой парциальные давления отдельных компонентов. Закон Дальтона следующий:

${\displaystyle P_{\rm {total}}=P_{1}+P_{2}+P_{3}+...+P_{n}\equiv \sum _{i=1}^{n}P_{i}\,}$,

и все составляющие газы и смесь имеют одинаковую температуру и объем

где п_Всего полное давление газовой смеси

п_я - парциальное давление или давление газообразного компонента при заданном объеме и температуре.

Закон Амагата из частичные объемы

утверждает, что объем смеси газов (или объем контейнера) просто представляет собой сумму частичных объемов отдельных компонентов. Закон Амагат таков:

${\displaystyle V_{\rm {total}}=V_{1}+V_{2}+V_{3}+...+V_{n}\equiv \sum _{i=1}^{n}V_{i}\,}$,

и все составляющие газы и смесь имеют одинаковую температуру и давление

где V_Всего - общий объем газовой смеси или объем емкости,

V_я - парциальный объем или объем газообразного компонента при заданном давлении и температуре.

Закон Генри

утверждает, что При постоянной температуре количество данного газа, растворенного в данном типе и объеме жидкости, прямо пропорционально частичное давление этого газа в равновесии с этой жидкостью.

${\displaystyle p=k_{\rm {H}}\,c}$

Закон о реальном газе

сформулировано Йоханнес Дидерик ван дер Ваальс (1873).

использованная литература

• Castka, Джозеф Ф .; Меткалф, Х. Кларк; Дэвис, Раймонд Э .; Уильямс, Джон Э. (2002). Современная химия. Холт, Райнхарт и Уинстон. ISBN  0-03-056537-5.
• Гуч, Ян (2003). Полное руководство идиота по химии. Альфа, Penguin Group Inc. ISBN  1-59257-101-8.
• Зумдал, Стивен С (1998). Химические принципы. Компания Houghton Mifflin. ISBN  0-395-83995-5.

внешние ссылки

• СМИ, связанные с Газовые законы в Wikimedia Commons