Начини за повишаване на налягането на газ

Въпреки факта, че всички тела, които влизат в контакт едно с друго, упражняват натиск едно върху друго, налягането е физическа величина, която сме склонни да свързваме много по-често с газове, отколкото с твърди тела.

Във физиката налягането се определя като сила на единица площ и се дава от съотношението F/A. Това означава, че за да променим натиска, трябва само да променим или силата, или областта, върху която се прилага силата. Например, ако искаме да увеличим натиска, който упражняваме върху, да речем, повърхността на маса, бихме могли да увеличим силата (например, като добавим повече тежест или натиснем повече върху масата), можем да намалим площта, върху която ние прилагаме силата (например прилагаме силата с върха на пирон вместо с ръка) или и двете неща едновременно.

Как обаче можем да увеличим налягането, упражнявано от газ? Освен това, как е възможно газовете, тъй като са толкова ефирни и безформени, да упражняват натиск върху стените на контейнерите, които ги съдържат? Разбирането на тези аспекти на едно от най-важните свойства на газовете е изключително важно, тъй като ни позволява да разберем много явления, които можем да наблюдаваме ежедневно, от помпането на автомобилни гуми до експлозията на запечатана кутия при нагряване. много или дори поведението на времето.

Поради тази причина в тази статия ще разгледаме някои основни аспекти на налягането на газовете, както и трите различни начина, по които можем да увеличим налягането на даден газ.

Как газовете упражняват налягане?

Всеки, който някога е присъствал на шествие или спортно събитие, като например футболен мач, където гигантски флаг е бил разпънат над тълпа от хора, веднага ще разбере как газовете упражняват натиск.

Газовете са вещества, съставени от отделни частици, които се движат независимо и произволно във всички посоки. Когато газът се съдържа в затворен контейнер, тези частици неизбежно ще се сблъскват често със стените на контейнера. Всеки сблъсък на газова частица със стените на контейнера е като ръка, която бута флага отдолу.

Въпросът е, че поради огромния брой частици, които могат да бъдат във всяка проба от газ, тези сблъсъци се случват с много висока честота, генерирайки почти постоянна сила, която избутва повърхността на контейнера. Това е подобно на многократните тласъци, дадени на знамето отдолу от зрители, което не позволява знамето да падне, а по-скоро го поддържа в почти постоянно състояние на напрежение, сякаш е надуто отдолу.

Фактори, влияещи върху налягането на газ и Законът за идеалния газ

Газовете са най-простите системи, които химията изучава. Всъщност газът с идеално поведение се характеризира напълно само с няколко променливи, които са броят молове (n), обемът (V), температурата (T) и, разбира се, налягането (Q). Тези четири променливи (наречени функции на състоянието) определят състоянието на проба от всеки газ, което означава, че ако ги знаем, всички знаем за газа и можем да предвидим поведението му в различни ситуации.

Въпреки че са четири, в действителност трябва да знаем само 3 от тях, тъй като можем да намерим четвъртия с помощта на уравнението на състоянието на идеалния газ, известно още като закон за идеалния газ, което се дава от :

Това означава, че налягането на газ се определя от стойностите на другите три променливи, т.е. броя на моловете, температурата и обема, и тази връзка може да се получи чрез изолиране на P от закона за идеалния газ, както е показано показва по-долу:

Как да увеличим налягането на газ

Както може да се види в горното уравнение, налягането е право пропорционално на броя на моловете и на температурата, но обратно пропорционално на обема. Това означава, че има три различни начина за увеличаване на налягането, а това са:

Увеличаване на броя молове на газа

Фактът, че налягането е право пропорционално на броя на бенките означава, че колкото по-голям е броят на бенките, толкова по-голямо е налягането. Това означава, че един от начините за увеличаване на налягането е чрез инжектиране на по-голямо количество газ в контейнера, който го съдържа. Пример за това е, когато напомпаме гумата или гумата на кола, мотоциклет или велосипед, или когато напомпаме баскетболна топка.

Това, което прави помпата, е да вкара повече газови частици в контейнера. Но защо това повишава налягането? За да го разберем по-добре, трябва да си припомним как газовете упражняват натиск. Налягането на газа е следствие от множеството сблъсъци между частиците на газа и стените на контейнера. Ако въведем повече частици от газа, честотата, с която тези частици се сблъскват с повърхността, ще се увеличи и следователно налягането ще се увеличи.

повишаване на температурата

Налягането също е пропорционално на температурата. Следователно, когато температурата се повишава, налягането също ще се увеличи. Ежедневна ситуация, в която можем да видим този феномен в действие, е когато прегреем запечатана кутия и тя се спука поради повишаване на налягането вътре.

За да разберем защо температурата влияе върху налягането, трябва да разгледаме какво представлява самата температура. Температурата е мярка за средната кинетична енергия на частиците, които изграждат дадено вещество. Следователно промяната на температурата предполага промяна на кинетичната енергия на частиците. Тъй като те не могат да променят масата си, тогава те задължително ще променят скоростта, с която се движат.

Тъй като газовите частици се движат по-бързо, се случват две неща:

• От една страна, честотата, с която частиците се сблъскват със стените, се увеличава, тъй като всяка частица отнема по-малко време, за да стигне от едната стена до другата. Това има същия ефект както преди увеличаването на броя на частиците.
• Освен това, като се движи по-бързо, всяка частица прехвърля по-голямо количество кинетична енергия към стената по време на сблъсъка, което е друг начин да се каже, че удря по-силно. Тъй като повече сила предполага повече натиск, тогава последният се увеличава.

В обобщение, повишаването на температурата увеличава налягането, защото води до увеличаване на броя на сблъсъците, а също и на силата на всеки сблъсък.

намаляване на силата на звука

За разлика от температурата и броя на моловете, връзката между налягане и обем е обратна. Това означава, че колкото по-малък е обемът, толкова по-високо е налягането. Следователно, последният начин за увеличаване на налягането е намаляване на обема.

И тук ефектът има две причини. Първият е, че с намаляването на обема пътят, който всяка частица трябва да измине, за да стигне от едната стена на контейнера до другата, намалява, така че нетната честота на сблъсъци се увеличава. Освен това намаляването на обема обикновено е придружено от намаляване на повърхността, изложена на газа. Спомняйки си първоначалната дефиниция за налягане, тъй като площта намалява, налягането се увеличава.

Препратки

Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Физикохимия на Аткинс (рев. изд.). Оксфорд, Обединено кралство: Oxford University Press.

Браун, Т. (2021). Химия: Централната наука (11-то издание). Лондон, Англия: Pearson Education.

Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание). Ню Йорк, Ню Йорк: MCGRAW-HILL.

Фондация CK-12. (2020 г., 18 май). Фактори, влияещи върху налягането на газа. Извлечено от https://www.ck12.org/chemistry/factors-affecting-gas-pressure/lesson/Factors-Affecting-Gas-Pressure-CHEM/

Цветя, П. (2018, 19 октомври). Свързване на налягане, обем, количество и температура: Законът за идеалния газ – Химия: Атомите Първо 2e. Извлечено от https://opentextbc.ca/chemistryatomfirst2eopenstax/chapter/relating-pressure-volume-amount-and-temperature-the-ideal-gas-law/

Сократов. (2014 г., 26 май). Какво причинява налягането на газа? Извлечено от https://socratic.org/questions/what-causes-gas-pressure