Tabla de Contenidos
Mặc dù thực tế là tất cả các vật thể tiếp xúc với nhau đều gây áp lực lên nhau, nhưng áp suất là một cường độ vật lý mà chúng ta có xu hướng liên kết thường xuyên hơn với các chất khí hơn là với các vật thể rắn.
Trong vật lý, áp suất được định nghĩa là lực trên một đơn vị diện tích và được cho bởi tỷ lệ F/A. Điều này có nghĩa là, để thay đổi áp suất, chúng ta chỉ phải thay đổi lực hoặc diện tích mà lực tác dụng lên. Ví dụ: nếu chúng ta muốn tăng áp lực mà chúng ta tác dụng lên bề mặt bàn chẳng hạn, thì chúng ta có thể tăng lực (ví dụ: bằng cách tăng thêm trọng lượng hoặc ấn nhiều hơn lên bàn), chúng ta có thể giảm diện tích mà chúng ta tác động lên. chúng ta tác dụng lực (ví dụ như tác dụng lực bằng đầu móng tay thay vì bằng tay), hoặc cả hai việc cùng một lúc.
Tuy nhiên, làm thế nào chúng ta có thể tăng áp suất do khí gây ra? Hơn nữa, làm thế nào mà các chất khí, rất thanh tao và không có hình dạng, lại có thể gây áp lực lên thành bình chứa chúng? Hiểu được những khía cạnh này của một trong những tính chất quan trọng nhất của chất khí là vô cùng quan trọng, vì nó cho phép chúng ta hiểu được nhiều hiện tượng mà chúng ta có thể quan sát hàng ngày, từ sự phồng lốp ô tô cho đến vụ nổ của một chiếc lon bịt kín khi đun nóng. nhiều, hoặc thậm chí là hành vi của thời tiết.
Vì lý do này, trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá một số khía cạnh cơ bản của áp suất của chất khí, cũng như ba cách khác nhau để chúng ta có thể tăng áp suất của chất khí.
Làm thế nào để khí gây áp suất?
Bất cứ ai đã từng tham dự một đám rước hoặc một sự kiện thể thao, chẳng hạn như một trận bóng đá, nơi một lá cờ khổng lồ được kéo lên trên đám đông, sẽ hiểu ngay khí gây áp suất như thế nào.
Khí là những chất được tạo thành từ các hạt riêng lẻ chuyển động độc lập và ngẫu nhiên theo mọi hướng. Khi chứa khí trong bình kín, chắc chắn các hạt này sẽ va chạm thường xuyên với thành bình chứa. Mỗi va chạm của một hạt khí vào thành bình chứa giống như một bàn tay đẩy lá cờ từ bên dưới.
Vấn đề là, do số lượng lớn các hạt có thể có trong bất kỳ mẫu khí nào, những va chạm này xảy ra với tần suất rất cao, tạo ra một lực gần như không đổi đẩy bề mặt của bình chứa. Điều này tương tự với nhiều lần khán giả đẩy lá cờ từ bên dưới, điều này không làm lá cờ rơi xuống mà giữ cho nó ở trạng thái căng gần như liên tục, như thể nó được thổi phồng từ bên dưới.
Các yếu tố ảnh hưởng đến áp suất của khí và định luật khí lý tưởng
Khí là những hệ thống đơn giản nhất mà hóa học nghiên cứu. Trên thực tế, một chất khí có hành vi lý tưởng chỉ được đặc trưng bởi một số biến số là số mol (n), thể tích (V), nhiệt độ (T) và dĩ nhiên là áp suất (Q). Bốn biến này (được gọi là các hàm trạng thái) xác định trạng thái của một mẫu khí bất kỳ, có nghĩa là nếu chúng ta biết chúng, chúng ta đều biết về khí và có thể dự đoán hành vi của nó trong các tình huống khác nhau.
Mặc dù là bốn, nhưng trên thực tế, chúng ta chỉ cần biết 3 trong số chúng, vì chúng ta có thể tìm ra cái thứ tư bằng phương trình trạng thái của khí lý tưởng, còn được gọi là định luật khí lý tưởng, được đưa ra bởi :
Điều này có nghĩa là áp suất của một chất khí được xác định bởi các giá trị của ba biến số khác, tức là số mol, nhiệt độ và thể tích, và mối quan hệ này có thể thu được bằng cách tách P ra khỏi định luật khí lý tưởng, như minh họa hiển thị dưới đây:
Cách tăng áp suất của chất khí
Như có thể thấy trong phương trình trên, áp suất tỷ lệ thuận với số mol và nhiệt độ, nhưng tỷ lệ nghịch với thể tích. Điều này có nghĩa là có ba cách khác nhau để tăng áp suất, đó là:
Tăng số mol khí
Thực tế là áp suất tỷ lệ thuận với số mol có nghĩa là số mol càng lớn thì áp suất càng lớn. Điều này ngụ ý rằng một cách để tăng áp suất là bơm một lượng khí lớn hơn vào bình chứa nó. Một ví dụ về điều này là khi chúng ta thổi phồng lốp xe hoặc cao su của ô tô, xe máy hoặc xe đạp, hoặc khi chúng ta thổi phồng một quả bóng rổ.
Những gì máy bơm làm là đưa thêm các hạt khí vào bình chứa. Nhưng tại sao điều này làm tăng áp lực? Để hiểu rõ hơn về nó, chúng ta phải nhớ cách các chất khí gây áp suất. Áp suất của chất khí là hệ quả của nhiều lần va chạm giữa các phân tử chất khí với thành bình chứa. Nếu chúng ta đưa vào nhiều hạt khí hơn, tần số mà các hạt này va chạm với bề mặt sẽ tăng lên, và do đó áp suất sẽ tăng lên.
tăng nhiệt độ
Áp suất cũng tỷ lệ thuận với nhiệt độ. Do đó, khi nhiệt độ tăng, áp suất cũng sẽ tăng. Một tình huống hàng ngày mà chúng ta có thể thấy hiện tượng này đang hoạt động là khi chúng ta làm nóng quá mức một chiếc hộp đậy kín và nó sẽ nổ tung do áp suất bên trong tăng lên.
Để hiểu tại sao nhiệt độ ảnh hưởng đến áp suất, chúng ta phải xem nhiệt độ là gì. Nhiệt độ là thước đo động năng trung bình của các hạt tạo nên một chất. Do đó, thay đổi nhiệt độ có nghĩa là thay đổi động năng của các hạt. Vì chúng không thể thay đổi khối lượng nên nhất thiết chúng sẽ thay đổi tốc độ di chuyển.
Khi các phân tử khí chuyển động nhanh hơn, có hai điều xảy ra:
- Một mặt, tần số mà các hạt va chạm với các bức tường tăng lên, vì mỗi hạt mất ít thời gian hơn để đi từ bức tường này sang bức tường kia. Điều này có tác dụng tương tự như trước khi tăng số lượng hạt.
- Trên hết, bằng cách chuyển động nhanh hơn, mỗi hạt truyền một lượng động năng lớn hơn cho bức tường trong quá trình va chạm, đó là một cách khác để nói rằng nó va chạm mạnh hơn. Khi nhiều lực hơn ngụ ý nhiều áp lực hơn, thì áp suất sau sẽ tăng lên.
Tóm lại, sự gia tăng nhiệt độ làm tăng áp suất vì nó gây ra sự gia tăng số lần va chạm và cả lực của mỗi lần va chạm.
giảm âm lượng
Không giống như nhiệt độ và số mol, mối quan hệ giữa áp suất và thể tích là nghịch đảo. Điều này có nghĩa là âm lượng càng thấp thì áp suất càng cao. Do đó, cách cuối cùng để tăng áp suất là giảm âm lượng.
Ở đây một lần nữa, hiệu ứng có hai nguyên nhân. Đầu tiên là, khi thể tích giảm, con đường mà mỗi hạt phải đi từ thành này sang thành kia của vật chứa giảm đi, do đó tần suất thực của va chạm tăng lên. Hơn nữa, việc giảm thể tích thường đi kèm với việc giảm diện tích bề mặt tiếp xúc với khí. Ghi nhớ định nghĩa ban đầu về áp suất, khi diện tích giảm, áp suất tăng.
Người giới thiệu
Atkins, P., & dePaula, J. (2014). Atkins ‘Physical Chemistry (rev. ed.). Oxford, Vương quốc Anh: Nhà xuất bản Đại học Oxford.
Nâu, T. (2021). Hóa học: Khoa học Trung tâm (tái bản lần thứ 11). Luân Đôn, Anh: Giáo dục Pearson.
Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Hóa học (tái bản lần thứ 10). Thành phố New York, NY: MCGRAW-HILL.
Tổ chức CK-12. (2020, ngày 18 tháng 5). Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Áp Suất Chất Khí. Lấy từ https://www.ck12.org/chemology/factors-affecting-gas-pressure/lesson/Factors-Affecting-Gas-Pressure-CHEM/
Hoa, P. (2018, ngày 19 tháng 10). Liên quan đến áp suất, thể tích, lượng và nhiệt độ: Định luật khí lý tưởng – Hóa học: Nguyên tử 2e đầu tiên. Lấy từ https://opentextbc.ca/chemologyatomfirst2eopenstax/chapter/relating-pressure-volume-amount-and-Temperature-the-ideal-gas-law/
Socrates. (2014, ngày 26 tháng 5). Điều gì gây ra áp suất khí? Lấy từ https://socrates.org/questions/what-causes-gas-pressure
