Das ideale Gasgesetz – warum Bläschen erweitern, wenn man sie erhitzt

Druck, Temperatur, Volumen und die Anzahl der Teilchen eines Gases können helfen, vorherzusagen, wie es sich verhält

Denken Sie an einen Kuchen. Wenn Sie es in den Ofen geschoben, es beginnt bei einem bestimmten Volumen und dann eine Stunde später, es ist vielleicht seine Größe verdoppelt gestiegen. Es ist offensichtlich, was passiert ist – die Luftblasen, die Sie haben sorgfältig gefaltet in die Mischung während der Vorbereitung und der kleine Bläschen von Kohlendioxid, erstellt von dem Backpulver haben erweitert, wie sie in den Ofen erwärmt werden unter den Rest des Kuchens mit es. Dieses Mal hat der Druck der Luft in diesen Bläschen gleich geblieben (Sie wissen, dass da Kuchen in der Regel explodieren nicht wenn Sie sie nach dem Kochen in Scheiben schneiden).

Es ist eine intuitive Vorstellung, die Luftblasen erweitern werden, heizt man sie, solange der Druck konstant bleibt. Es ist auch ein wesentlicher Bestandteil des idealen Gases-Gesetze, erstmals im frühen 19. Jahrhundert durch die französischen Naturphilosoph Joseph Louis Gay-Lussac niedergeschrieben. Arbeitete er über das Verhältnis zwischen Volumen und Temperatur eines Gases, ausgehend von dem Erfinder und Mathematiker Jacques Charles, die gezeigt hatten, dass Volumen und Temperatur proportional waren mehrere Jahrzehnte früher durchgeführten Arbeiten – eine Gas zu heizen und die Lautstärke steigt und umgekehrt, solange der Druck konstant bleibt.

Das erste Stück des idealen Gases Puzzles kam im 17. Jahrhundert. Robert Boyle hatte Experimente mit Luft, durchgeführt, die er vorschlug, war voll von Partikeln durch winzige unsichtbare Federn verbunden. Er fand, dass der Druck eines Gases ein umgekehrtes Verhältnis zu seinem Volumen. Wenn das Volumen verdoppelt, halbiert der Druck und umgekehrt, wenn die Temperatur konstant gehalten wird.

Sowie das Verhältnis Volumen/Temperatur verlängert Gay-Lussac Arbeit und Experimente, von ein Jahrhundert früher, des Erfinders Guillaume Amontons zu zeigen, dass in einem festen Volumen des Gases, Druck direkt proportional zur absoluten Temperatur war.

Mit den drei Beziehungen zwischen Druck, Volumen und Temperatur gemessen und aufgeschrieben, französischer Ingenieur Benoît Paul Émile Clapeyron, einer der Gründerväter der Thermodynamik, kombiniert die Arbeit von Boyle, Charles und Gay‑Lussac in die kombinierte Ideale Gasgleichung oben, im Jahre 1834.

Kurzum, das ideale Gasgesetz zeigt die Beziehung zwischen den vier Eigenschaften eines Gases, die Sie wissen müssen, um vorherzusagen, wie es sich verhält: Druck, Temperatur, Volumen und die Anzahl der Teilchen des Gases (dh Atome oder Moleküle) vorhanden. Es ist "ideal", weil das Gesetz ein Modell, das davon ausgeht ist, die Teilchen sind unendlich kleine Punkte und nicht miteinander interagieren. Alle Kollisionen zwischen ideales Gas-Partikel sind elastisch, was bedeutet, dass sie keine Energie nicht verloren gehen, wenn sie sich gegenseitig rebound.

In der Praxis haben reale Gasteilchen messbare Größen und manchmal gewinnen oder gegenseitig abstoßen. Die Ideale Gasgleichung ist jedoch eine sehr erfolgreiche Möglichkeit Gase zu verschieben und ändern sich je nach ihrer Umgebung zu verstehen.

Das Gesetz besagt, dass das Produkt aus Druck (P) und Volumen (V) eines Gases direkt proportional zur absoluten Temperatur (T ist, gemessen in Kelvin). Auf der rechten Seite der Gleichung ist die Anzahl der Mol Gas vorhanden (n) im System, wo ein Maulwurf gleich 6.02214129 × 10 ist²³ Teilchen, eine Nummer bekannt als die Avogadro-Konstante. Auch ist auf der rechten Seite die allgemeine Gaskonstante (R), 8,3145 Joule pro Mol Kelvin entspricht.

Die idealen Gases Gleichungen verwendet werden, um herauszufinden, wie viel Luft in einen Kuchen zu erweitern (auch wenn es für das zu verwendende unwahrscheinlich ist), aber es gilt auch für viele andere Situationen. Jemals bemerkt, eine Luftpumpe, die heiß werden, wenn Sie einen Reifen mit Luft zu füllen? Und zwar deshalb, weil Sie schnell setzen Energie in die Luft im Inneren der Pumpe drücken Sie den Kolben und Verringerung des Volumens zur gleichen Zeit, wodurch die Moleküle schneller hüpfen in ein kleineres Volumen und das Gas erwärmt sich.

Kältetechnik arbeitet in entgegengesetzter Richtung um die Luftpumpe. Wenn Sie loslassen eine Gas sehr schnell durch hohen Druck (Innenseite eine Lagerung tank sagen) zu einer Region des niedrigeren Drucks (äußere Luft bei atmosphärischem Druck), dann wird das Gas erweitern. Die dazu benötigte Energie wird aus den Molekülen des Gases selbst kommen und so sinkt die Temperatur des Gases. Sie können dies in Aktion sehen, wenn unter Druck stehendes Kohlendioxid in einem Feuerlöscher sofort in Frost verwandelt, wenn es über die Düse bis hin zu einem Brand freigegeben wird. Prosaischer, hält der gleiche Mechanismus Ihre Lebensmittel im Kühlschrank kalt.

Die Beziehungen zwischen diesen so genannten "staatliche Eigenschaften" eines Gases intuitiv sinnvoll. Aber das ideale Gasgesetz kann auch abgeleitet werden mathematisch, erste Grundsätze, durch die Vorstellung Partikel prallt eine Box. Etwa zwei Jahrzehnte nach Clapeyron es aufgeschrieben, August Kroenig und Rudolf Clausius unabhängig betrachtete die statistische Verteilung der Geschwindigkeiten (und damit Energie) zwischen den Teilchen wie Druck, Volumen und Temperatur zueinander in einem Gas – ein Konzept, bekannt als statistische Mechanik. Im Wesentlichen bedeutet dies, Blick auf die Eigenschaften einer großen Zahl von winzigen Komponenten oder Partikel innerhalb eines Systems um die makroskopische Ergebnisse zu berechnen. Das heißt, wird eine Kiste mit einem Gas Trillionen von Teilchen herumfliegen drin in zufällige Richtungen, Prellen, Weg von einander und von den Wänden haben.

In diesem Modell ist die kinetische Energie der Teilchen proportional zur Temperatur des Gases. Partikel, die auf den Seiten des Kastens übersetzen den Druck des Gases.

In dieser "kinetische" Version von das ideale Gasgesetz ist die Rechte Seite etwas anders geschrieben. Statt "nR" sind Bezeichnungen für die Anzahl der Moleküle des Gases und der Boltzmann-Konstante (k) gleich 1.38065 × 10^-23 Joule pro Kelvin.

Die beiden Versionen der Gleichung beschreiben identisch. Ob Kuchen, Fahrradpumpen, Kühlschränke oder auch, wenn das Verhalten von Sternen Modellierung (die, im Wesentlichen nur Wolken aus Wasserstoffgas sind), Sie diese einfache können, Arbeitsbeziehungen, wie was die Gase.