Måder at øge trykket af en gas

På trods af at alle legemer, der kommer i kontakt med hinanden, udøver pres på hinanden, er tryk en fysisk størrelse, som vi har en tendens til at forbinde meget hyppigere med gasser end med faste legemer.

I fysik er tryk defineret som kraft pr. arealenhed, og er givet ved forholdet F/A. Det betyder, at for at modificere trykket, skal vi kun modificere enten kraften eller det område, som kraften påføres. For eksempel, hvis vi ønskede at øge trykket, vi udøver på f.eks. overfladen af ​​et bord, kunne vi øge kraften (for eksempel ved at tilføje mere vægt eller trykke mere på bordet), vi kunne mindske det areal, hvorpå vi anvender kraften (f.eks. påfører vi kraften med spidsen af ​​et søm i stedet for med vores hånd), eller begge ting på samme tid.

Men hvordan kan vi øge trykket, som en gas udøver? Desuden, hvordan kan det være, at gasser, der er så æteriske og formløse, er i stand til at udøve pres på væggene i de beholdere, der indeholder dem? Det er ekstremt vigtigt at forstå disse aspekter af en af ​​de vigtigste egenskaber ved gasser, da det giver os mulighed for at forstå mange fænomener, som vi kan observere på daglig basis, lige fra oppumpning af bildæk til eksplosionen af ​​en forseglet dåse, når den opvarmes. meget, eller endda vejrets opførsel.

Af denne grund vil vi i denne artikel udforske nogle grundlæggende aspekter af trykket af gasser, samt de tre forskellige måder, hvorpå vi kan øge trykket af en gas.

Hvordan udøver gasser tryk?

Enhver, der nogensinde har deltaget i et optog eller en sportsbegivenhed, såsom en fodboldkamp, ​​hvor et kæmpe flag blev foldet ud over en menneskemængde, vil straks forstå, hvordan gasser udøver pres.

Gasser er stoffer, der består af individuelle partikler, der bevæger sig uafhængigt og tilfældigt i alle retninger. Når gassen er indeholdt i en lukket beholder, vil disse partikler uundgåeligt ofte kollidere med beholderens vægge. Hver kollision af en gaspartikel mod beholderens vægge er som en hånd, der skubber flaget nedefra.

Pointen er, at på grund af det enorme antal partikler, der kan være i enhver prøve af en gas, forekommer disse kollisioner med en meget høj frekvens, hvilket genererer en næsten konstant kraft, der skubber overfladen af ​​beholderen. Dette svarer til de mange skub, som tilskuere giver flaget nedefra, som ikke lader flaget falde, men derimod holder det i en næsten konstant spændingstilstand, som om det var pustet op nedefra.

Faktorer, der påvirker trykket af en gas og den ideelle gaslov

Gasser er de enkleste systemer, som kemi studerer. Faktisk er en gas, der opfører sig ideelt, fuldt ud karakteriseret ved kun en håndfuld variable, som er antallet af mol (n), volumen (V), temperaturen (T) og selvfølgelig trykket (Q). Disse fire variabler (kaldet tilstandsfunktioner) definerer tilstanden af ​​en prøve af enhver gas, hvilket betyder, at hvis vi kender dem, kender vi alle til gassen og kan forudsige dens adfærd i forskellige situationer.

På trods af at vi er fire, behøver vi i virkeligheden kun at kende 3 af dem, da vi kan finde den fjerde ved hjælp af den ideelle gasligning for tilstand, også kendt som den ideelle gaslov, som er givet af :

Det betyder, at trykket af en gas bestemmes af værdierne af de tre andre variable, dvs. antallet af mol, temperaturen og volumenet, og denne sammenhæng kan opnås ved at isolere P fra den ideelle gaslov, som vist. viser nedenfor:

Hvordan man øger trykket af en gas

Som det kan ses i ovenstående ligning, er trykket direkte proportionalt med antallet af mol og med temperaturen, men omvendt proportionalt med volumenet. Det betyder, at der er tre forskellige måder at øge trykket på, og disse er:

Forøgelse af antallet af mol af gassen

At trykket er direkte proportionalt med antallet af mol betyder, at jo større antal mol, jo større er trykket. Dette indebærer, at en måde at øge trykket på er ved at sprøjte en større mængde af gassen ind i beholderen, der indeholder den. Et eksempel på dette er, når vi puster dækket eller gummiet på en bil, motorcykel eller cykel, eller når vi puster en basketball op.

Hvad pumpen gør, er at indføre flere gaspartikler i beholderen. Men hvorfor øger dette presset? For at forstå det bedre, skal vi huske, hvordan gasser udøver tryk. Gastrykket er konsekvensen af ​​de mange sammenstød mellem gaspartiklerne og beholderens vægge. Hvis vi indfører flere partikler af gassen, vil frekvensen, hvormed disse partikler kolliderer med overfladen, stige, og derfor vil trykket stige.

at øge temperaturen

Tryk er også proportional med temperaturen. Derfor vil trykket også stige, når temperaturen stiger. En hverdagssituation, hvor vi kan se dette fænomen i aktion, er, når vi overophedes en forseglet dåse, og den brister på grund af stigningen i trykket indeni.

For at forstå, hvorfor temperaturen påvirker trykket, må vi overveje, hvad temperaturen i sig selv er. Temperatur er et mål for den gennemsnitlige kinetiske energi af de partikler, der udgør et stof. Derfor indebærer ændring af temperaturen ændring af partiklernes kinetiske energi. Da de ikke kan ændre deres masse, så vil de nødvendigvis ændre hastigheden, hvormed de bevæger sig.

Når gaspartiklerne bevæger sig hurtigere, sker der to ting:

• På den ene side stiger frekvensen, hvormed partiklerne kolliderer med væggene, da hver partikel tager kortere tid at komme fra den ene væg til den anden. Dette har samme effekt som før at øge antallet af partikler.
• Oven i dette, ved at bevæge sig hurtigere, overfører hver partikel en større mængde kinetisk energi til væggen under kollisionen, hvilket er en anden måde at sige, at den rammer hårdere. Efterhånden som mere kraft indebærer mere pres, så øges sidstnævnte.

Sammenfattende øger stigningen i temperatur trykket, fordi det forårsager en stigning i antallet af kollisioner og også i kraften af ​​hver kollision.

reducere volumen

I modsætning til temperatur og antal mol er forholdet mellem tryk og volumen omvendt. Det betyder, at jo lavere volumen, jo højere er trykket. Derfor er den sidste måde at øge trykket på at mindske volumen.

Her har virkningen igen to årsager. Den første er, at når volumenet falder, falder den vej, som hver partikel skal tage for at komme fra den ene væg af beholderen til den anden, så nettofrekvensen af ​​kollisioner stiger. Endvidere er volumenreduktionen generelt ledsaget af en reduktion i det overfladeareal, der udsættes for gassen. Husk den oprindelige definition af tryk, når arealet falder, stiger trykket.

Referencer

Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (rev. red.). Oxford, Storbritannien: Oxford University Press.

Brown, T. (2021). Kemi: Centralvidenskaben (11. udgave). London, England: Pearson Education.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Kemi (10. udgave). New York City, NY: MCGRAW-HILL.

CK-12 Foundation. (2020, 18. maj). Faktorer, der påvirker gastrykket. Hentet fra https://www.ck12.org/chemistry/factors-affecting-gas-pressure/lesson/Factors-Affecting-Gas-Pressure-CHEM/

Blomster, P. (2018, 19. oktober). Relateret tryk, volumen, mængde og temperatur: Den ideelle gaslov – Kemi: Atomer først 2e. Hentet fra https://opentextbc.ca/chemistryatomfirst2eopenstax/chapter/relating-pressure-volume-amount-and-temperature-the-ideal-gas-law/

Sokratisk. (2014, 26. maj). Hvad forårsager gastrykket? Hentet fra https://socratic.org/questions/what-causes-gas-pressure