5.3: Zákony o jednoduchém plynu – Boyleův zákon, Charlesův zákon a Avogadrův zákon


Vztah mezi tlakem a objemem: Boyleův zákon

Se zvyšujícím se tlakem na plyn se objem plynu zmenšuje, protože částice plynu jsou tlačeny blíže k sobě. Naopak, jak klesá tlak na plyn, zvyšuje se objem plynu, protože částice plynu se nyní mohou pohybovat dále od sebe. Meteorologické balóny se zvětšují, jak stoupají atmosférou do oblastí s nižším tlakem, protože se zvýšil objem plynu; to znamená, že atmosférický plyn vyvíjí menší tlak na povrch balónu, takže vnitřní plyn expanduje, dokud nejsou vnitřní a vnější tlaky stejné.

Obrázek \ (\ PageIndex {1 } \): Boyleův experiment pomocí trubice ve tvaru J k určení vztahu mezi tlakem plynu a objemem. (A) I v nitru je plyn pod tlakem 1 atm = 760 mmHg (rtuť je ve stejné výšce jak v rameni obsahujícím vzorek, tak v rameni otevřeném do atmosféry); jeho objem je V. (b) Pokud se na pravou stranu přidá dostatek rtuti, aby se mezi oběma rameny vytvořil výškový rozdíl 760 mmHg, je tlak plynu 760 mmHg (atmosférický tlak) + 760 mmHg = 1520 mmHg a hlasitost je V / 2. (c) Pokud se do sloupce vpravo přidá dalších 760 mmHg, celkový tlak na plyn se zvýší na 2280 mmHg a objem plynu se sníží na V / 3 (CC BY-SA-NC; anonymní na žádost ).

Irský chemik Robert Boyle (1627–1691) provedl některé z prvních experimentů, které určovaly kvantitativní vztah mezi tlakem a objemem benzín. Boyle použil trubku ve tvaru J částečně naplněnou rtutí, jak je znázorněno na obrázku \ (\ PageIndex {1} \). V těchto experimentech je malé množství plynu nebo vzduchu zachyceno nad rtuťovým sloupcem a jeho objem je měřen při atmosférickém tlaku a konstantní teplotě. Poté se do otevřeného ramene nalije více rtuti, aby se zvýšil tlak na vzorek plynu. Tlak na plyn je atmosférický tlak plus rozdíl ve výškách rtuťových kolon a změří se výsledný objem. Tento proces se opakuje, dokud v otevřeném rameni již není žádný prostor, nebo dokud není objem plynu příliš malý na to, aby se dal přesně měřit. Data, jako jsou data z jednoho z Boyleových vlastních experimentů, lze vykreslit několika způsoby (obrázek \ (\ PageIndex {2} \)). Jednoduchý graf \ (V \) versus \ (P \) dává křivku zvanou hyperbola a odhaluje inverzní vztah mezi tlakem a objemem: při zdvojnásobení tlaku se objem sníží dvakrát. Tento vztah mezi těmito dvěma veličinami je popsán následovně:

\

Vydělením obou stran \ (P \) získáme rovnici ilustrující inverzní vztah mezi \ (P \) a \ (V \):

\

nebo

\

, kde se čte symbol „„ je úměrný “. Graf V proti 1 / P je tedy přímka, jejíž sklon se rovná konstantě v Rovnicích \ (\ ref {10.3.1} \) a \ (\ ref {10.3.3} \). Dělení obou stran Rovnice \ (\ ref {10.3.1} \) pomocí V místo P dává podobný vztah mezi P a 1 / V. Číselná hodnota konstanty závisí na množství plynu použitého v experimentu a na teplotě, při které experimenty jsou prováděny. Tento vztah mezi tlakem a objemem je po svém objeviteli znám jako Boyleův zákon a lze jej vyjádřit následovně: Při konstantní teplotě je objem stálého množství plynu nepřímo úměrný jeho tlaku. Zákon v praxi je znázorněn na obrázku \ (\ PageIndex {2} \).

Obrázek \ (\ PageIndex {2} \): Grafy Boyleových dat. (A) Zde jsou skutečná data z typického experimentu provedeného Boyleem. Boyle používal jednotky jiné než SI k měření objemu (in.3 spíše než cm3) a tlaku (in. Hg spíše než mmHg). (b) T jeho graf tlaku a objemu je hyperbola. Protože PV je konstanta, snížení tlaku o faktor dva má za následek dvojnásobné zvýšení objemu a naopak. (c) Graf objemu versus 1 / tlak pro stejná data ukazuje inverzní lineární vztah mezi těmito dvěma veličinami, vyjádřený rovnicí V = konstanta / P (CC BY-SA-NC; na žádost anonymní).

Při konstantní teplotě je objem stálého množství plynu nepřímo úměrný jeho tlaku

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *