Modalități de creștere a presiunii unui gaz

În ciuda faptului că toate corpurile care intră în contact unele cu altele exercită presiune unele asupra altora, presiunea este o mărime fizică pe care avem tendința de a o asocia mult mai frecvent cu gazele decât cu corpurile solide.

În fizică, presiunea este definită ca forță pe unitatea de suprafață și este dată de raportul F/A. Aceasta înseamnă că, pentru a modifica presiunea, trebuie doar să modificăm fie forța, fie zona pe care se aplică forța. De exemplu, dacă dorim să creștem presiunea pe care o exercităm asupra, de exemplu, suprafața unei mese, am putea crește forța (de exemplu, adăugând mai multă greutate sau apăsând mai mult pe masă), am putea scădea suprafața pe care aplicăm forța (de exemplu aplicarea forței cu vârful unghiei în loc de mâna), sau ambele lucruri în același timp.

Totuși, cum putem crește presiunea exercitată de un gaz? În plus, cum se face că gazele, fiind atât de eterice și lipsite de formă, sunt capabile să exercite presiune asupra pereților recipientelor care le conțin? Înțelegerea acestor aspecte ale uneia dintre cele mai importante proprietăți ale gazelor este extrem de importantă, deoarece ne permite să înțelegem multe fenomene pe care le putem observa zilnic, de la umflarea anvelopelor de automobile până la explozia unei cutii etanșe atunci când este încălzită. mult, sau chiar comportamentul vremii.

Din acest motiv, în acest articol vom explora câteva aspecte de bază ale presiunii gazelor, precum și cele trei moduri diferite prin care putem crește presiunea unui gaz.

Cum exercită gazele presiune?

Oricine a participat vreodată la o procesiune sau la un eveniment sportiv, cum ar fi un meci de fotbal în care un steag uriaș a fost desfășurat peste o mulțime de oameni, va înțelege imediat cum gazele exercită presiune.

Gazele sunt substanțe formate din particule individuale care se mișcă independent și aleatoriu în toate direcțiile. Când gazul este conținut într-un container închis, aceste particule se vor ciocni inevitabil frecvent cu pereții containerului. Fiecare ciocnire a unei particule de gaz împotriva pereților containerului este ca o mână care împinge steagul de jos.

Ideea este că, datorită numărului imens de particule care poate fi în orice probă de gaz, aceste ciocniri apar cu o frecvență foarte mare, generând o forță aproape constantă care împinge suprafața recipientului. Aceasta este asemănătoare cu multiplele împingeri date steagului de jos de către spectatori, care nu lasă steagul să cadă, ci mai degrabă îl menține într-o stare de tensiune aproape constantă, de parcă ar fi umflat de jos.

Factorii care afectează presiunea unui gaz și legea gazelor ideale

Gazele sunt cele mai simple sisteme pe care le studiază chimia. De fapt, un gaz care se comportă ideal este pe deplin caracterizat de doar o mână de variabile care sunt numărul de moli (n), volumul (V), temperatura (T) și, desigur, presiunea (Q). Aceste patru variabile (numite funcții de stare) definesc starea unei probe de orice gaz, ceea ce înseamnă că, dacă le cunoaștem, știm cu toții despre gaz și putem prezice comportamentul acestuia în diferite situații.

În ciuda faptului că sunt patru, în realitate trebuie să știm doar 3 dintre ele, deoarece pe al patrulea îl putem găsi prin intermediul ecuației de stare a gazelor ideale, cunoscută și sub numele de legea gazelor ideale, care este dată de :

Aceasta înseamnă că presiunea unui gaz este determinată de valorile celorlalte trei variabile, adică numărul de moli, temperatura și volumul, iar această relație poate fi obținută prin izolarea P din legea gazului ideal, așa cum se arată. arată mai jos:

Cum să crești presiunea unui gaz

După cum se poate observa în ecuația de mai sus, presiunea este direct proporțională cu numărul de moli și cu temperatura, dar invers proporțională cu volumul. Aceasta înseamnă că există trei moduri diferite de a crește presiunea și acestea sunt:

Creșterea numărului de moli de gaz

Faptul că presiunea este direct proporțională cu numărul de moli înseamnă că cu cât numărul de moli este mai mare, cu atât presiunea este mai mare. Aceasta înseamnă că o modalitate de a crește presiunea este prin injectarea unei cantități mai mari de gaz în recipientul care îl conține. Un exemplu în acest sens este atunci când umflam anvelopa sau cauciucul unei mașini, motociclete sau biciclete, sau când umflam o minge de baschet.

Ceea ce face pompa este să introducă mai multe particule de gaz în recipient. Dar de ce crește aceasta presiunea? Pentru a înțelege mai bine, trebuie să ne amintim cum gazele exercită presiune. Presiunea gazului este consecința ciocnirilor multiple dintre particulele de gaz și pereții recipientului. Dacă introducem mai multe particule de gaz, frecvența cu care aceste particule se ciocnesc cu suprafața va crește și, prin urmare, presiunea va crește.

cresterea temperaturii

Presiunea este, de asemenea, proporțională cu temperatura. Prin urmare, pe măsură ce temperatura crește, va crește și presiunea. O situație de zi cu zi în care putem vedea acest fenomen în acțiune este atunci când supraîncălzim o cutie sigilată și aceasta se sparge din cauza creșterii presiunii din interior.

Pentru a înțelege de ce temperatura afectează presiunea, trebuie să luăm în considerare ce este temperatura în sine. Temperatura este o măsură a energiei cinetice medii a particulelor care alcătuiesc o substanță. Prin urmare, modificarea temperaturii implică modificarea energiei cinetice a particulelor. Deoarece nu își pot schimba masa, atunci ei vor schimba în mod necesar viteza cu care se mișcă.

Pe măsură ce particulele de gaz se mișcă mai repede, se întâmplă două lucruri:

• Pe de o parte, frecvența cu care particulele se ciocnesc cu pereții crește, deoarece fiecare particulă durează mai puțin timp pentru a trece de la un perete la altul. Acest lucru are același efect ca înainte de creșterea numărului de particule.
• În plus, prin mișcarea mai rapidă, fiecare particulă transferă o cantitate mai mare de energie cinetică peretelui în timpul coliziunii, ceea ce este un alt mod de a spune că lovește mai puternic. Cu cât mai multă forță implică mai multă presiune, atunci aceasta din urmă crește.

Pe scurt, creșterea temperaturii crește presiunea deoarece determină o creștere a numărului de ciocniri și, de asemenea, a forței fiecărei coliziuni.

reducerea volumului

Spre deosebire de temperatură și numărul de moli, relația dintre presiune și volum este inversă. Aceasta înseamnă că, cu cât volumul este mai mic, cu atât presiunea este mai mare. Prin urmare, ultima modalitate de a crește presiunea este reducerea volumului.

Din nou, efectul are două cauze. Primul este că, pe măsură ce volumul scade, calea pe care trebuie să o parcurgă fiecare particulă pentru a ajunge de la un perete al containerului la celălalt scade, astfel încât frecvența netă a coliziunilor crește. Mai mult, reducerea volumului este în general însoțită de o reducere a suprafeței expuse gazului. Amintind definiția originală a presiunii, pe măsură ce aria scade, presiunea crește.

Referințe

Atkins, P. și dePaula, J. (2014). Chimia fizică a lui Atkins (ed. rev.). Oxford, Regatul Unit: Oxford University Press.

Brown, T. (2021). Chimie: Știința Centrală (ed. a 11-a). Londra, Anglia: Pearson Education.

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS și Herranz, ZR (2020). Chimie (ed. a 10-a). New York, NY: MCGRAW-HILL.

Fundația CK-12. (2020, 18 mai). Factori care afectează presiunea gazului. Preluat de la https://www.ck12.org/chemistry/factors-affecting-gas-pressure/lesson/Factors-Affecting-Gas-Pressure-CHEM/

Flori, P. (2018, 19 octombrie). Relația presiunii, volumului, cantității și temperaturii: Legea gazelor ideale – Chimie: Atomii în primul rând 2e. Preluat de la https://opentextbc.ca/chemistryatomfirst2eopenstax/chapter/relating-pressure-volume-amount-and-temperature-the-ideal-gas-law/

Socratic. (2014, 26 mai). Ce cauzează presiunea gazului? Preluat de la https://socratic.org/questions/what-causes-gas-pressure