Tabla de Contenidos
Huolimatta siitä, että kaikki toistensa kanssa kosketuksiin joutuvat kappaleet kohdistavat painetta toisiinsa, paine on fyysinen suuruus, jota meillä on tapana yhdistää paljon useammin kaasuihin kuin kiinteisiin kappaleisiin.
Fysiikassa paine määritellään voimana pinta-alayksikköä kohti, ja se saadaan suhteesta F/A. Tämä tarkoittaa, että paineen muuttamiseksi meidän on vain muutettava joko voimaa tai aluetta, johon voima kohdistetaan. Jos esimerkiksi haluaisimme lisätä painetta, jota kohdistamme esimerkiksi pöydän pintaan, voisimme lisätä voimaa (esimerkiksi lisäämällä painoa tai painamalla enemmän pöytää), voisimme pienentää pinta-alaa, jolla kohdistamme voimaa (esim. kohdistamme voimaa naulan kärjellä käden sijaan) tai molempia asioita samanaikaisesti.
Kuinka voimme kuitenkin lisätä kaasun kohdistamaa painetta? Edelleen, miten on mahdollista, että kaasut, jotka ovat niin eteerisiä ja muodottomia, voivat kohdistaa painetta niitä sisältävien säiliöiden seiniin? Näiden yhden kaasujen tärkeimmän ominaisuuden näkökohtien ymmärtäminen on äärimmäisen tärkeää, sillä sen avulla voimme ymmärtää monia ilmiöitä, joita voimme havaita päivittäin, aina autonrenkaiden täyttymisestä suljetun tölkin räjähtämiseen kuumennettaessa. paljon tai jopa sään käyttäytymistä.
Tästä syystä tässä artikkelissa tutkimme joitain kaasujen paineen perusnäkökohtia sekä kolmea eri tapaa, joilla voimme lisätä kaasun painetta.
Miten kaasut kohdistavat painetta?
Jokainen, joka on koskaan osallistunut kulkueeseen tai urheilutapahtumaan, kuten jalkapallo-otteluun, jossa jättiläinen lippu nostettiin väkijoukon päälle, ymmärtää heti, kuinka kaasut aiheuttavat painetta.
Kaasut ovat aineita, jotka koostuvat yksittäisistä hiukkasista, jotka liikkuvat itsenäisesti ja satunnaisesti kaikkiin suuntiin. Kun kaasu on suljetussa astiassa, nämä hiukkaset törmäävät väistämättä usein säiliön seinämiin. Jokainen kaasuhiukkasen törmäys säiliön seiniä vasten on kuin käsi, joka työntää lippua alhaalta.
Asia on siinä, että koska missä tahansa kaasunäytteessä voi olla valtava määrä hiukkasia, nämä törmäykset tapahtuvat erittäin suurella taajuudella, jolloin syntyy lähes vakiovoima, joka työntää säiliön pintaa. Tämä on samanlainen kuin katsojien alhaalta lipulle antamat useat työnnöt, jotka eivät anna lipun pudota, vaan pikemminkin pitää sen lähes jatkuvassa jännityksessä, ikään kuin se olisi puhallettu alhaalta.
Kaasunpaineeseen vaikuttavat tekijät ja ihannekaasulaki
Kaasut ovat yksinkertaisimpia kemian tutkimia järjestelmiä. Itse asiassa ihanteellisesti käyttäytyvälle kaasulle on ominaista vain muutama muuttuja, jotka ovat moolien lukumäärä (n), tilavuus (V), lämpötila (T) ja tietysti paine (Q). Nämä neljä muuttujaa (kutsutaan tilafunktioiksi) määrittelevät minkä tahansa kaasun näytteen tilan, mikä tarkoittaa, että jos tiedämme ne, tiedämme kaikki kaasusta ja voimme ennustaa sen käyttäytymisen eri tilanteissa.
Huolimatta siitä, että niitä on neljä, todellisuudessa meidän tarvitsee tietää niistä vain 3, koska voimme löytää neljännen ideaalisen kaasun tilayhtälön avulla, joka tunnetaan myös ideaalisen kaasun laina ja jonka antaa :
Tämä tarkoittaa, että kaasun paine määräytyy kolmen muun muuttujan eli moolien lukumäärän, lämpötilan ja tilavuuden arvojen perusteella, ja tämä suhde voidaan saada eristämällä P ideaalisen kaasun laista, kuten kuvassa. näkyy alla:
Kuinka lisätä kaasun painetta
Kuten yllä olevasta yhtälöstä voidaan nähdä, paine on suoraan verrannollinen moolien lukumäärään ja lämpötilaan, mutta kääntäen verrannollinen tilavuuteen. Tämä tarkoittaa, että painetta voidaan lisätä kolmella eri tavalla, ja nämä ovat:
Kaasun moolien määrän lisääminen
Se, että paine on suoraan verrannollinen moolien määrään, tarkoittaa, että mitä suurempi moolimäärä, sitä suurempi paine. Tämä tarkoittaa, että yksi tapa lisätä painetta on ruiskuttaa suurempi määrä kaasua sen sisältävään säiliöön. Esimerkki tästä on, kun täytämme auton, moottoripyörän tai polkupyörän renkaan tai kumia tai kun täytämme koripallon.
Pumppu syöttää enemmän kaasuhiukkasia säiliöön. Mutta miksi tämä lisää painetta? Ymmärtääksemme sitä paremmin meidän on muistettava, kuinka kaasut kohdistavat painetta. Kaasun paine on seurausta useista kaasuhiukkasten ja säiliön seinämien välisistä törmäyksistä. Jos lisäämme kaasun hiukkasia, taajuus, jolla nämä hiukkaset törmäävät pintaan, kasvaa, ja siksi paine kasvaa.
nostamalla lämpötilaa
Paine on myös verrannollinen lämpötilaan. Siksi lämpötilan noustessa myös paine kasvaa. Jokapäiväinen tilanne, jossa voimme nähdä tämän ilmiön toiminnassa, on, kun ylikuumennamme suljetun tölkin ja se räjähtää sisällä olevan paineen nousun seurauksena.
Ymmärtääksemme, miksi lämpötila vaikuttaa paineeseen, meidän on pohdittava, mikä lämpötila itse on. Lämpötila on aineen muodostavien hiukkasten keskimääräisen kineettisen energian mitta. Siksi lämpötilan muuttaminen merkitsee hiukkasten kineettisen energian muuttamista. Koska he eivät voi muuttaa massaansa, ne muuttavat välttämättä nopeutta, jolla ne liikkuvat.
Kun kaasuhiukkaset liikkuvat nopeammin, tapahtuu kaksi asiaa:
- Toisaalta taajuus, jolla hiukkaset törmäävät seiniin, kasvaa, koska jokainen hiukkanen kestää vähemmän aikaa päästäkseen seinästä toiseen. Tällä on sama vaikutus kuin ennen hiukkasten määrän lisäämistä.
- Tämän lisäksi liikkuessaan nopeammin jokainen hiukkanen siirtää suuremman määrän kineettistä energiaa seinään törmäyksen aikana, mikä on toinen tapa sanoa, että se osuu kovemmin. Mitä suurempi voima merkitsee enemmän painetta, niin jälkimmäinen kasvaa.
Yhteenvetona voidaan todeta, että lämpötilan nousu lisää painetta, koska se lisää törmäysten määrää ja myös kunkin törmäyksen voimaa.
äänenvoimakkuuden vähentäminen
Toisin kuin lämpötila ja moolimäärä, paineen ja tilavuuden välinen suhde on käänteinen. Tämä tarkoittaa, että mitä pienempi tilavuus, sitä korkeampi paine. Siksi viimeinen tapa lisätä painetta on vähentää äänenvoimakkuutta.
Tässäkin vaikutuksella on kaksi syytä. Ensimmäinen on se, että tilavuuden pienentyessä kunkin hiukkasen reitti, joka kulkee päästäkseen säiliön seinästä toiseen, pienenee, joten törmäysten nettotaajuus kasvaa. Lisäksi tilavuuden pienenemiseen liittyy yleensä kaasulle altistetun pinta-alan pieneneminen. Muista paineen alkuperäinen määritelmä, kun pinta-ala pienenee, paine kasvaa.
Viitteet
Atkins, P. ja dePaula, J. (2014). Atkins’ Physical Chemistry (rev. toim.). Oxford, Iso-Britannia: Oxford University Press.
Brown, T. (2021). Chemistry: The Central Science (11. painos). Lontoo, Englanti: Pearson Education.
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ja Herranz, ZR (2020). Kemia (10. painos). New York City, NY: MCGRAW-HILL.
CK-12 säätiö. (2020, 18. toukokuuta). Kaasunpaineeseen vaikuttavat tekijät. Haettu osoitteesta https://www.ck12.org/chemistry/factors-affecting-gas-pressure/lesson/Factors-Affecting-Gas-Pressure-CHEM/
Flowers, P. (2018, 19. lokakuuta). Paine, tilavuus, määrä ja lämpötila: ihanteellisen kaasun laki – Kemia: Atoms First 2e. Haettu osoitteesta https://opentextbc.ca/chemistryatomfirst2eopenstax/chapter/relating-pressure-volume-amount-and-temperature-the-ideal-gas-law/
Sokraattinen. (2014, 26. toukokuuta). Mikä aiheuttaa kaasun paineen? Haettu osoitteesta https://socratic.org/questions/what-causes-gas-pressure
