Газовые законы

Научное описание поведения газов при изменении физических условий

Законы, описывающие поведение газов при фиксированном давлении , объеме , количестве газа и абсолютной температуре , называются законами газа . Основные газовые законы были открыты в конце 18 века, когда ученые обнаружили, что можно получить зависимости между давлением, объемом и температурой образца газа, которые будут соответствовать аппроксимации для всех газов. Было обнаружено, что эти макроскопические газовые законы согласуются с атомной и кинетической теорией .

История

В 1643 году итальянский физик и математик Евангелиста Торричелли , который в течение нескольких месяцев был секретарем Галилея , провел во Флоренции знаменитый эксперимент. ^[1] Он продемонстрировал, что столб ртути в перевернутой трубке может поддерживаться давлением воздуха снаружи трубки с созданием небольшого участка вакуума над ртутью. ^[2] Этот эксперимент, по сути, проложил путь к изобретению барометра, а также привлек внимание Роберта Бойля , тогдашнего «скептически настроенного» ученого, работавшего в Англии. Эксперимент Торричелли вдохновил Бойля исследовать, как эластичность воздуха реагирует на изменяющееся давление, и он сделал это с помощью серии экспериментов с установкой, напоминающей ту, которую использовал Торричелли. ^[3] Бойль опубликовал свои результаты в 1662 году.

Позднее, в 1676 году, французский физик Эдме Мариотт независимо пришел к тем же выводам Бойля, отметив при этом также некоторую зависимость объема воздуха от температуры. ^[4] Однако потребовалось еще полтора столетия для развития термометрии и признания шкалы абсолютного нуля температур, что в конечном итоге позволило открыть температурно-зависимые газовые законы.

Закон Бойля

В 1662 году Роберт Бойль систематически изучал 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 идеального газа в замкнутой системе всегда постоянно. Это можно проверить экспериментально с помощью манометра и емкости переменного объема. Его также можно вывести из кинетической теории газов : если контейнер с фиксированным числом молекул внутри уменьшается в объеме, большее количество молекул ударяется о заданную площадь стенок контейнера в единицу времени, вызывая большее давление. .

Заявление

Закон Бойля гласит:

Объем данной массы газа обратно пропорционален его давлению, когда его температура поддерживается постоянной.

Эту 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 P — давление, V — объем газа, а k ₁ — константа в этом уравнении (и не совпадает с константами пропорциональности в других уравнениях).

закон Чарльза

Закон Шарля, или закон объемов, был основан в 1787 году Жаком Шарлем . Он утверждает, что для данной массы идеального газа при постоянном давлении объем прямо пропорционален его абсолютной температуре , если предположить, что это замкнутая система. Формулировка закона Шарля такова: объем (V) данной массы газа при постоянном давлении (P) прямо пропорционален его температуре (T).

Заявление

Закон Чарльза гласит:

Объем данной фиксированной массы сухого газа прямо пропорционален его абсолютной температуре при постоянном давлении.

Поэтому,

• ${\displaystyle V\propto T\,}$, или
• ${\displaystyle {V \over T}=k_{2}}$, или

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

где «V» — объем газа, «T» — абсолютная температура, а k ₂ — константа пропорциональности (которая отличается от констант пропорциональности в других уравнениях этой статьи).

Закон Гей-Люссака

Закон Гей-Люссака, закон Амонтона или закон давления был основан Жозефом Луи Гей-Люссаком в 1808 году.

Заявление

Закон Гей-Люссака гласит:

Давление, оказываемое заданной массой и постоянным объемом идеального газа на стенки его сосуда, прямо пропорционально его абсолютной температуре.

Поэтому,

• ${\displaystyle P\propto T\,}$, или
• ${\displaystyle {P \over T}=k}$, или

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

где P — давление, T — абсолютная температура, а k — еще одна константа пропорциональности.

Закон Авогадро

Закон Авогадро , гипотеза Авогадро , принцип Авогадро или гипотеза Авогадро-Ампера — это экспериментальный газовый закон, который был выдвинут Амедео Авогадро в 1811 году. Он связал объем газа с количеством присутствующего в нем вещества . ^[5]

Заявление

Закон Авогадро гласит:

Объем, занимаемый идеальным газом при постоянной температуре, прямо пропорционален числу молекул газа, находящихся в сосуде.

Это утверждение дает молярный объем газа, который при STP (273,15 К, 1 атм) составляет около 22,4 л. Соотношение определяется выражением:

${\displaystyle V\propto n\,}$, или где n равно числу молекул газа (или количеству молей газа). $${\displaystyle {\frac {V_{1}}{n_{1}}}={\frac {V_{2}}{n_{2}}}\,}$$

Комбинированные и идеальные газовые законы.

Связь между законами Бойля , Шарля , Гей-Люссака , Авогадро , комбинированного и идеального газа с постоянной Больцмана k= ⁠р/Н _А⁠ = ⁠н  р/Н⁠ (в каждом законе свойства , обведенные кружком, являются переменными, а свойства, не обведенные кружком, остаются постоянными)

Объединенный газовый закон или общее газовое уравнение получается путем объединения закона Бойля, закона Шарля и закона Гей-Люссака. Он показывает связь между давлением, объемом и температурой для фиксированной массы газа:

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

Это также можно записать как:

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

С добавлением закона Авогадро комбинированный газовый закон превращается в закон идеального газа :

${\displaystyle PV=nRT}$

где P — давление, V — объем, n — количество молей, R — универсальная газовая постоянная и T — абсолютная температура.

Константа пропорциональности, теперь называемая R, представляет собой универсальную газовую постоянную со значением 8,3144598 (кПа∙л)/(моль∙К).

Эквивалентная формулировка этого закона:

$${\displaystyle PV=Nk_{\text{B}}T}$$

где P — давление, V — объем, N — количество молекул газа, k _B — постоянная Больцмана (1,381×10–23 ^Дж ·К ^–1 в единицах СИ), а T – абсолютная температура.

Эти уравнения точны только для идеального газа , пренебрегающего различными межмолекулярными эффектами (см. реальный 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 остаются постоянными, то объем газа прямо пропорционален числу молекул газа.
2. Если температура и объем остаются постоянными, то давление газа изменяется прямо пропорционально количеству присутствующих молекул газа.
3. Если число молекул газа и температура остаются постоянными, то давление обратно пропорционально объему.
4. Если температура изменяется, а число молекул газа остается постоянным, то либо давление, либо объем (или и то, и другое) будут меняться прямо пропорционально температуре.

Другие газовые законы

Закон Грэма

Этот закон гласит, что скорость диффузии молекул газа обратно пропорциональна квадратному корню из плотности газа при постоянной температуре. В сочетании с законом Авогадро (т.е. поскольку в равных объемах содержится одинаковое количество молекул) это то же самое, что обратно пропорционально корню из молекулярной массы.

Закон парциального давления Дальтона

Этот закон гласит, что давление смеси газов представляет собой просто сумму парциальных давлений отдельных компонентов. Закон Дальтона выглядит следующим образом:

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

и все составляющие газы и смесь имеют одинаковую температуру и объем.

где Pобщ _– полное давление газовой смеси

P _i представляет собой парциальное давление или давление компонента газа при заданном объеме и температуре.

Закон частичных объемов Амагата

Этот закон гласит, что объем смеси газов (или объем сосуда) представляет собой просто сумму частичных объемов отдельных компонентов. Закон Амагата заключается в следующем:

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

и все составляющие газы и смесь находятся при одинаковой температуре и давлении.

где Vобщ _– общий объем газовой смеси или объем баллона,

V _i представляет собой парциальный объем или объем компонента газа при данных давлении и температуре.

Закон Генри

Это означает, что при постоянной температуре количество данного газа, растворенного в жидкости данного типа и объема, прямо пропорционально парциальному давлению этого газа, находящегося в равновесии с этой жидкостью. Уравнение выглядит следующим образом:

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

Закон о реальном газе

Это было сформулировано Йоханнесом Дидериком ван дер Ваальсом в 1873 году.

Рекомендации

1. Лагуж, Мишель. «История газового законодательства» (PDF) .
2. "Барометрический эксперимент Торричелли". brunelleschi.imss.fi.it . 23 января 2008 г. Проверено 21 марта 2024 г.
3. Университет Пердью. «Газовые законы».
4. "Эдме Мариотт | Экспериментальная физика, закон давления и гидростатика | Британника" . www.britanica.com . Проверено 21 марта 2024 г.
5. «Закон Авогадро». Британская энциклопедия . Проверено 3 февраля 2016 г.

• Кастка, 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). Полный справочник идиота по химии. Альфа, ISBN Penguin Group Inc. 1-59257-101-8.
• Зумдал, Стивен С. (1998). Химические принципы. Компания Хоутон Миффлин. ISBN 0-395-83995-5.

Внешние ссылки

• СМИ, связанные с законами о газе, на Викискладе?