Что такое закон идеального газа?

Ретт Аллен

Вам следует заботиться о газах, потому что вы живете в одном из них: воздух вокруг вас — это газ. Понимание того, как ведут себя газы, также полезно при работе с такими вещами, как подушки безопасности, резиновые воздушные шары, велосипедные насосы и даже подводные виды спорта, такие как подводное плавание. Но давайте будем честными. Вы здесь не ради воздушных шаров или велосипедных насосов. Вероятно, вы здесь, потому что изучаете вводный курс химии, а закон идеального газа очень сбивает с толку, и поэтому вы погуглили его.

(Или, может быть, вы здесь просто ради науки. В таком случае, отлично.)

Так что же такое закон идеального газа? Очень короткий ответ: это соотношение между давлением, объемом, температурой и количеством частиц данного газа. Уравнение выглядит следующим образом:

Этими пятью членами являются: давление (P), объем (V), число молей (n), константа (R) — со значением 8,3145 джоулей на кельвин-моль — и температура (T). Вы не сможете понять закон идеального газа, не зная, что описывает каждый из этих терминов.

Есть еще одна версия этого уравнения, которая нравится физикам:

ПРОВОДНОЙ персонал

Brenda Stolyar

Уилл Найт

Медея Джордано

В этой версии есть два отличия. Вместо n для числа молей мы имеем N для общего количества частиц газа. Кроме того, константа R заменяется на k, постоянную Больцмана, со значением 1,380649×10-23 джоулей на кельвин.

Поясним каждый из этих терминов.

Представьте, что воздух вокруг вас состоит из множества крошечных шариков. Эти шарики настолько малы, что их не видно, но они движутся во всех направлениях. Именно этим и является газ: он состоит из множества молекул, которые движутся с разной скоростью и в разных направлениях. В случае с воздухом, которым вы дышите, эти молекулы в основном состоят из молекулярного азота (два атома азота, связанных вместе), но есть также некоторое количество молекулярного кислорода (два атома кислорода). Эти молекулы на самом деле не являются крошечными шариками, но для этой модели вполне достаточно представить себе форму шара.

Если поместить этот газ внутрь коробки, некоторые из этих шариков столкнутся с ее стенками. Вот схема одного из таких столкновений:

Теперь нам нужно немного физики. Предположим, у вас есть движущийся объект, например шар для боулинга. Если на мяч не действует сила, он будет просто продолжать двигаться с постоянной скоростью и направлением. Итак, если он меняет направление — например, когда он сталкивается со стеной, — то на него должна действовать сила. Но поскольку силы — это всегда взаимодействие двух вещей, если стена давит на мяч, то и мяч тоже должен давить на стену.

То же самое происходит с очень маленькими объектами, такими как молекулы газа. Каждый раз, когда один из этих маленьких газовых шариков сталкивается со стенкой контейнера, он оказывает на стену небольшую силу.

Мы определяем давление как силу на площадь. В виде уравнения это выглядит так:

ПРОВОДНОЙ персонал

Brenda Stolyar

Уилл Найт

Медея Джордано

F — сила, А — площадь. Сила единичного столкновения зависит как от скорости молекулы, так и от ее массы. Просто подумайте об этом так: вы можете бросить легкий мяч для гольфа на очень высокой скорости или катить очень массивный шар для боулинга на медленной скорости. Вполне возможно, что быстрый мяч для гольфа может иметь такое же воздействие, как и медленный шар для боулинга, если его скорость компенсирует его меньшую массу.

Суммарная сила, действующая на стенку контейнера с газом, будет зависеть от скорости и массы молекул, а также от того, сколько из них столкнутся со стенкой. За данный интервал времени количество столкновений со стенкой зависит от двух вещей: скорости молекул и площади стенки. Молекулы, движущиеся быстрее, будут вызывать больше столкновений. Так же будет и большая площадь стены. Чтобы определить давление на стену, вы делите эту силу столкновения на площадь. Итак, в конце концов, давление газа зависит только от массы и скорости молекул.

Идею давления легко понять, когда молекулы газа сталкиваются со стенкой сосуда. Однако важно помнить, что эти молекулы по-прежнему движутся и по-прежнему испытывают давление, даже когда их ничем не удерживают. В физике мы считаем, что давление является атрибутом газа, а не его столкновения со стенкой.