Закон про ідеальний газ

1. Огляд Джерело: Лабораторія доктора Андреаса Цюттеля - Швейцарської федеральної лабораторії матеріалознавства...
2. Процедура
3. Результати
4. Програми та резюме
5. Список літератури

Огляд

Джерело: Лабораторія доктора Андреаса Цюттеля - Швейцарської федеральної лабораторії матеріалознавства і техніки

Закон про ідеальний газ описує поведінку найбільш поширених газів при майже навколишніх умовах і тенденцію всіх хімічних речовин у розбавленому межі. Це фундаментальна залежність між трьома вимірюваними макроскопічними змінними системи (тиском, температурою і об'ємом) і кількістю молекул газу в системі, і тому є істотним зв'язком між мікроскопічними і макроскопічними всесвітами.

Історія закону про ідеальний газ датується серединою XVII століття, коли зв'язок між тиском і обсягом повітря виявилася обернено пропорційною, що підтверджується Робертом Бойлем, який ми зараз називаємо законом Бойля ( Рівняння 1). ).

P V-1 ( Рівняння 1 )

Неопублікована робота Жака Чарльза в 1780-х роках, яка була поширена на численні гази і пари Джозефа Луї Гай-Люссака і повідомлена в 1802 р., Встановила прямо пропорційну залежність між абсолютною температурою і об'ємом газу. Цей зв'язок називається законом Карла ( Рівняння 2 ).

V Т ( рівняння 2 )

Гійом Амонтон, як правило, приписують спочатку виявленню зв'язку між температурою і тиском повітря у фіксованому обсязі на рубежі 18-го століття. Цей закон також поширився на численні інші гази Джозефом Луї Гей-Люссаком на початку 19-го століття і тому називається або законом Амонтсона, або законом Гей-Люссака, як зазначено в Рівнянні 3 .

P Т ( рівняння 3 )

Разом ці три відносини можуть бути об'єднані, щоб дати співвідношення в Рівнянні 4 .

V Т ( рівняння 4 )

Нарешті, в 1811 році Амедео Авогадро запропонував, що будь-які два гази, що знаходяться в одному і тому ж обсязі і при однаковій температурі і тиску, містять однакову кількість молекул. Це призвело до висновку, що всі гази можуть бути описані загальною константою, ідеальною газовою константою R, що не залежить від природи газу. Це відомо як закон ідеального газу ( Рівняння 5 )

PV Т ( рівняння 5 )

База даних JoVE Science Education. Загальна хімія. Закон про ідеальний газ. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Принципи

Закон ідеального газу і, отже, його характеристична константа R, також можна красномовно виводити з теорії перших принципів різними способами, де важливими спрощеннями є те, що молекули не мають власного обсягу і не взаємодіють між собою. Ці припущення справедливі в межі розрідженої речовини, де об'єм порожнього простору, зайнятого кожною молекулою ( наприклад, ~ 10-23 л в умовах навколишнього середовища), набагато більше, ніж сама молекула (~ 10-26 л), а де взаємодії малоймовірний. Тому його можна легко продемонструвати кількома способами, використовуючи звичайне лабораторне обладнання при кімнатній температурі, і можна точно виміряти, використовуючи різні гази при тисках до 10 бар ( рис. 1 ). Однак закон ідеального газу не може точно врахувати властивості більш щільних газів при майже навколишніх умовах ( наприклад , пропан) або для конденсації, явищ, що виникають в результаті міжмолекулярних взаємодій. З цієї причини численні більш детальні рівняння стану вдалося досягти закону ідеального газу за роки свого відкриття, зазвичай зводячи до закону ідеального газу в межі розбавленої речовини.

Рисунок 1. Порівняння щільності закону ідеального газу з різними іншими поширеними газами при 25 ° С і від 0 до 100 бар.

У цьому підручнику ми ретельно вимірюємо щільність газоподібного водню при підвищених тисках і температурах в межах фіксованого об'єму, зважуючи зважений твердий зразок відомого об'єму: точно оброблений алюмінієвий блок. Зміна ваги зразка безпосередньо пов'язана зі зміною щільності рідини, в якій вона плаває, за принципом Архімеда. Ми також продемонструємо недоліки використання менш ідеального газу (наприклад, вуглекислого газу) при високих тисках. Нарешті, ми візуально продемонструємо і якісно підтвердимо закон ідеального газу, виконавши простий настольний експеримент, в якому вимірюється зміна обсягу системи внаслідок вивільнення водню матеріалом для зберігання водню. Використовуючи будь-який з цих експериментів, можна визначити універсальну константу, що описує взаємозв'язок між тиском, температурою і об'ємом для даної кількості газу - константа ідеального газу, R.

Процедура

1. Вимірювання обсягу зразка

1. Ретельно очистіть зразок і висушіть.
2. Заповнити циліндр з високою роздільною здатністю з достатньою кількістю дистильованої води, щоб покрити зразок. Зверніть увагу на початкову гучність
3. Помістіть зразок у воду і зауважте зміну обсягу. Це обсяг зразка, В.
4. Витягніть зразок і висушіть його. Примітка: альтернативно, виміряйте довжину (й) сторони зразка і обчисліть його обсяг, використовуючи геометрію.

2. Завантажте зразок у баланс

1. Повісьте зразок у магнітному балансі суспензії.
2. Встановіть камеру тиску / температури навколо зразка.
3. Евакуюють середовище зразка і заповнюють газоподібним воднем до 1 бар.
4. Вимірюють масу зразка при 1 бар і кімнатній температурі, w00.

3. Виміряйте вагу зразка як функцію тиску при кімнатній температурі

1. Збільшення або зменшення тиску в середовищі вибірки до Pi0.
2. Дайте середовищі зразків врівноважити.
3. Вимірюють вагу зразка, wi0.
4. Повторіть 3.1-3.3 багато разів.

4. Виміряйте масу зразка як функцію тиску при різних температурах

1. Встановіть температуру на Tj і дайте йому врівноважити.
2. Встановіть тиск газу на 1 бар.
3. Виміряйте масу зразка на 1 бар і Tj, w0j.
4. Збільшуйте або зменшуйте тиск до Pij і дайте йому врівноважити.
5. Вимірюють вагу зразка, wij.
6. Повторіть 4.4-4.5 багато разів.
7. Повторіть 4.1-4.6 за бажанням.

5. Розрахуйте ідеальну газову константу

1. Таблицювати виміряні значення {Tj, Pij і wij}, де P0j завжди 1 бар, а T0 - виміряна кімнатна температура.
2. Розраховують і табулюють відмінності Δwij і ΔPij при кожній температурі Tj, використовуючи Рівняння 6 і Рівняння 7 .
   Δ wij = wij - w0j ( рівняння 6 )
   Δ wij = Pij - P0j = Pij - 1 бар ( Рівняння 7 )
3. Обчислити Rij для кожного вимірювання, а середнє по всіх значеннях для визначення ідеальної газової константи, Р. Альтернативно, побудувати продукт ΔPij і V як функцію добутку Δwij (розділену на молекулярну масу, MW) і Tj, і виконують лінійний регресійний аналіз для визначення нахилу, R. ( Рівняння 8 і 9 ) Для водню, МВт = 2,016 г / моль.
   Δ P V = Δ n RT ( Рівняння 8 )
   ( Рівняння 9 )

Закон про ідеальний газ є фундаментальним і корисним у науці, оскільки описує поведінку найбільш поширених газів при майже навколишніх умовах.

Закон ідеального газу, PV = nRT, визначає взаємозв'язок між кількістю молекул газу в закритій системі і трьома вимірюваними системними змінними: тиском, температурою і об'ємом.

Закон про ідеальний газ спирається на кілька припущень. По-перше, об'єм молекул газу мізерно малий. По-друге, молекули поводяться як жорсткі сфери, які підкоряються законам руху Ньютона. І, нарешті, між молекулами немає міжмолекулярних сил притягання. Вони взаємодіють один з одним за допомогою пружних зіткнень, тому немає чистого втрати кінетичної енергії. Гази відхиляються від цієї ідеальної поведінки при високих тисках, де щільність газу зростає, і реальний об'єм молекул газу стає важливим. Аналогічно, гази відхиляються при надзвичайно низьких температурах, де привабливі міжмолекулярні взаємодії стають важливими. Більш важкі гази можуть відхилятися навіть при температурі навколишнього середовища і тиску через їх більш високу щільність і більш сильні міжмолекулярні взаємодії.

Це відео експериментально підтвердить закон ідеального газу шляхом вимірювання зміни щільності газу як функції температури і тиску.

Закон про ідеальний газ випливає з чотирьох важливих відносин. По-перше, закон Бойля описує зворотно-пропорційне співвідношення між тиском і об'ємом газу. Далі, закон Гей-Люссака стверджує, що температура і тиск пропорційні. Аналогічним чином, закон Карла є заявою про пропорційність між температурою і обсягом. Ці три відносини утворюють комбінований закон про газ, який дає змогу порівняти один газ у багатьох різних умовах.

Нарешті, Авогадро визначив, що будь-які два гази, що утримуються при однаковому обсязі, температурі і тиску, містять однакову кількість молекул. Оскільки гази в тих же умовах, як правило, ведуть себе однаково, можна знайти константу пропорційності, яка називається універсальною газовою постійною (R), що пов'язує ці параметри, що дозволяє порівняти різні гази. R має одиниці енергії на температуру на молекулу; наприклад, джоулів на кельвін на моль.

Закон про ідеальний газ є цінним інструментом для розуміння відносин держави в газових системах. Наприклад, в системі постійної температури і тиску додавання додаткових молекул газу призводить до збільшення обсягу.

Аналогічно, при постійній температурі в закритій системі, де не додаються або віднімаються молекули, тиск газу збільшується, коли обсяг зменшується.

Магнітний баланс суспензії можна використовувати для експериментального підтвердження закону ідеального газу шляхом вимірювання фізичних властивостей системи. Вага твердого зразка постійної маси і об'єму може служити зондом властивостей газу навколо нього.

У міру збільшення тиску в системі, при постійному обсязі системи і температурі, кількість молекул газу в системі зростає, збільшуючи тим самим щільність газу. Жорсткий твердий зразок, занурений у цей газ, піддається плавучості, а його загальна маса зменшується, хоча її маса не змінюється. Зміна щільності газу може бути визначена за принципом Архімеда, в якому зазначено, що зміна ваги об'єкта дорівнює зміні ваги зміщеного газу.

Точна поведінка щільності газу при різних тисках і температурних умовах буде відповідати закону ідеального газу, якщо раніше описані апроксимації виконуються, що дає можливість простого розрахунку універсальної газової постійної R.

У наступній серії експериментів мікробаланс буде використовуватися для підтвердження закону ідеального газу і визначення універсальної газової постійної R шляхом вимірювання щільності водню як функції температури і тиску. По-перше, ретельно очистіть зразок, в цьому випадку тонко оброблений алюмінієвий блок, з ацетоном, і висушіть . Вимірюють об'єм зразка, заповнюючи градуйований циліндр достатньою кількістю дистильованої води для покриття зразка. Зверніть увагу на початкову гучність. Занурте зразок у воду і зверніть увагу на зміну обсягу.

Вийміть і ретельно очистіть і висушіть зразок. Далі завантажуємо його в магнітний баланс підвіски, в цьому випадку розташований всередині перчаточного ящика. Встановіть камеру тиску і температури навколо зразка. Зразок тепер магнітно підвішений в закритій системі, не торкаючись жодної зі стін.

Евакуюють середовище зразка і заповнюють газоподібним воднем, до тиску 1 бар.

Вимірюють масу зразка і маркують його як початкову масу при кімнатній температурі. Далі підвищують тиск в середовищі зразка до 2 бар, і дозволяють йому врівноважити. Виміряйте вагу при новому тиску. Повторіть ці кроки кілька разів при ряді тисків, щоб отримати ряд зразків ваг при відповідних тисках, при кімнатній температурі.

Далі вимірюють вагу як функцію тиску при більш високій температурі. Спочатку евакуюють зразки навколишнього середовища, потім підвищують температуру до 150 ° C і дають йому можливість врівноважити. Потім збільште тиск до 1 бар. Вимірюють масу зразка і маркують його як початкову масу при 150 ° C і 1 бар. Збільшуйте тиск, дайте йому врівноважити і виміряйте вагу. Повторіть ці кроки для того, щоб виміряти ряд ваг зразків у діапазоні тисків. Щоб отримати більше даних, повторіть серію вимірювань ваги при інших постійних температурах і тисках.

Для розрахунку константи ідеального газу табулюйте виміряні значення маси зразка при кожній температурі і тиску.

Далі розраховують відмінності між усіма парами ваг зразків в межах однієї встановленої температури, щоб отримати всі можливі комбінації зміни ваги як функції зміни тиску, або Δw. Ця зміна еквівалентна зміні ваги газоподібного водню, що витісняється зразком.

Аналогічно обчислюють всі відповідні відмінності в тиску для отримання зміни тиску, або ΔP. Таблицю всіх пар зміни ваги і тиску для кожної температури. Перетворюйте одиниці температури в кельвін і одиниці тиску в паскалі.

Оскільки об'єм і температура залишаються незмінними для кожної серії вимірювань, закон ідеального газу можна записати як ΔPV = ΔnRT. Оскільки Δn дорівнює Δw, розділеному на молекулярну масу водню, розрахуйте кожне значення Δn для кожного значення Δw.

Наносять добуток зміни тиску і об'єм зразка, як функцію добутку Δn і температури. Виконайте лінійний регресійний аналіз, щоб визначити нахил, який буде дорівнювати універсальної газової постійної, якщо все буде зроблено правильно.

Рівняння ідеального газу використовується в багатьох сценаріях реального світу, як правило, тих, які виконуються з газом при температурі навколишнього середовища та тиску. Всі гази відхиляються від ідеальної поведінки при високому тиску; однак деякі гази, такі як вуглекислий газ, відхиляються більше, ніж інші. У цьому експерименті були виміряні відхилення від ідеальної поведінки для газоподібного діоксиду вуглецю. Процедура ідентична попередньому експерименту, проведеному з воднем.

Діаграма тиску в часі обсягу в порівнянні з молями раз температура була побудована, і ідеальний газ константа розрахована від нахилу ділянки. Діоксид вуглецю істотно відхилявся від ідеальної поведінки, навіть за умов навколишнього середовища. Така поведінка була викликана привабливими міжмолекулярними взаємодіями, які не спостерігалися з воднем.

Закон про ідеальний газ використовується в ідентифікації та кількісному визначенні вибухових газів у зразках повітря. Цей напрямок досліджень має надзвичайно важливе значення для військових та безпеки.

Тут вибухові компоненти зразка газу були кількісно визначені за допомогою температурної десорбційної газової хроматографії. Дані, а також закон про ідеальний газ були потім використані для кількісної оцінки цих небезпечних речовин.

Ви тільки що спостерігали за вступом JoVE до ідеального закону про газ. Після перегляду цього відео потрібно розуміти поняття закону, а також ситуації, коли застосовується рівняння.

Дякую за перегляд!

Результати

Закон ідеального газу є правильним описом фактичних газових властивостей численних загальних газів при умовах поблизу навколишнього середовища ( рис. 1 ) і тому корисний в контексті багатьох застосувань. Обмеження закону ідеального газу в описі систем в умовах високих тисків або низьких температур можна пояснити зростаючою важливістю молекулярних взаємодій та / або кінцевих розмірів молекул газу, що сприяють властивостям системи. Отже, гази з сильними, привабливими міжмолекулярними взаємодіями (що виникають внаслідок диполь-дипольних взаємодій, включаючи водневі зв'язки, іонно-дипольні взаємодії або ван-дер-ваальсові взаємодії) будуть мати більш високу щільність, ніж ідеальний газ. Всі гази також будуть мати відштовхувальну складову при високих щільностях, що пов'язано з тим, що більше однієї молекули не може займати одне й те саме місце, зменшуючи щільність над ідеальним газом. Гази, такі як водень і гелій, показують більш значний внесок від сили відштовхування через обмежений розмір молекули, і тому мають більш низьку щільність при високих тисках. Метан і вуглекислий газ мають значно більший внесок у їх властивості від привабливих взаємодій, надаючи їм більш високу щільність, ніж ідеальний газ, до дуже високих тисків, де домінує відштовхувальний термін (набагато вище 100 бар при 25 ° C).

Фігура 2. Ізотерма поглинання рівноваги адсорбції СО2 на високій площі поверхні, суперактивований вуглець MSC-30, при 25 ° С.

Програми та резюме

Закон про ідеальний газ є таким фундаментальним рівнянням хімічних наук, що він має безліч застосувань як у щоденній лабораторній діяльності, так і в розрахунках і моделюванні навіть дуже складних систем, принаймні в першому наближенні. Його застосовність обмежується лише наближеннями, притаманними самому закону; при тиску і температурі, близькій до навколишнього середовища, де закон ідеального газу добре діє для багатьох загальних газів, він широко використовується в інтерпретації систем і процесів на основі газу. Двома прикладами пристроїв, які працюють на принципах, які можуть бути узгоджені з використанням ідеального закону про газ, є газовий термометр і двигун Стірлінга.

Одним з конкретних застосувань є вимірювання кількості адсорбції газу (фізісорбції) на поверхні твердого матеріалу. Адсорбція - це фізичне явище, за допомогою якого молекули газу залишають газову фазу і входять в ущільнену фазу біля поверхні твердого тіла (або, можливо, рідини) через привабливі міжмолекулярні взаємодії (дисперсійні сили) між твердим речовиною і газом. Роль адсорбції можна знехтувати для багатьох сипучих матеріалів (таких як скло та нержавіюча сталь) за умов навколишнього середовища, але стає дуже важливою для пористих матеріалів з великою доступною площею поверхні, особливо при низьких температурах.3 Об'ємний метод Сіверца і гравіметричний Метод кількісної фізичної адсорбції спирається на знання рівняння стану газу в системі. При низьких тисках і температурі навколишнього середовища закон ідеального газу діє для багатьох газів і може бути використаний для точного визначення адсорбованої кількості газу аналогічно тому, як описано в протоколі визначення вищезазначеного R. Наприклад, у гравіметричних вимірюваннях плавучості сорбенту з високою поверхнею в умовах, коли закон про ідеальний газ дійсно діє , різниця між виміряним Δwactual та Δwideal, розрахованим з використанням ідеального рівняння стану, може бути віднесена до зміна ваги адсорбованої фази. ( Рівняння 10 ) Ізотерми адсорбції рівноважного газу можна, таким чином, виміряти, табулюючи це відхилення, Δwads, як функцію тиску при фіксованій температурі (див. Фіг.2 ), стандартну процедуру характеризації пористих матеріалів.

Δ wads = Δ wactual - Δ wideal ( рівняння 10 )

Список літератури

1. Zumdahl, SS, Хімічні принципи. Houghton Mifflin, Нью-Йорк, Нью-Йорк. (2002).
2. Kotz, J., Treichel, P., Townsend, J. Chemistry and Chemical Reactivity. 8-е изд. Брукс / Коул, Белмонт, Каліфорнія (2012).
3. Rouquerol, F., Rouquerol, J., Sing, KSW, Llewellyn, P., Maurin, G. Адсорбція порошками і пористими твердими речовинами : принципи, методологія та застосування. Академічна преса, Сан-Дієго, Каліфорнія. (2014).

1. Вимірювання обсягу зразка

1. Ретельно очистіть зразок і висушіть.
2. Заповнити циліндр з високою роздільною здатністю з достатньою кількістю дистильованої води, щоб покрити зразок. Зверніть увагу на початкову гучність
3. Помістіть зразок у воду і зауважте зміну обсягу. Це обсяг зразка, В.
4. Витягніть зразок і висушіть його. Примітка: альтернативно, виміряйте довжину (й) сторони зразка і обчисліть його обсяг, використовуючи геометрію.

2. Завантажте зразок у баланс

1. Повісьте зразок у магнітному балансі суспензії.
2. Встановіть камеру тиску / температури навколо зразка.
3. Евакуюють середовище зразка і заповнюють газоподібним воднем до 1 бар.
4. Вимірюють масу зразка при 1 бар і кімнатній температурі, w00.

3. Виміряйте вагу зразка як функцію тиску при кімнатній температурі

1. Збільшення або зменшення тиску в середовищі вибірки до Pi0.
2. Дайте середовищі зразків врівноважити.
3. Вимірюють вагу зразка, wi0.
4. Повторіть 3.1-3.3 багато разів.

4. Виміряйте масу зразка як функцію тиску при різних температурах

1. Встановіть температуру на Tj і дайте йому врівноважити.
2. Встановіть тиск газу на 1 бар.
3. Виміряйте масу зразка на 1 бар і Tj, w0j.
4. Збільшуйте або зменшуйте тиск до Pij і дайте йому врівноважити.
5. Вимірюють вагу зразка, wij.
6. Повторіть 4.4-4.5 багато разів.
7. Повторіть 4.1-4.6 за бажанням.

5. Розрахуйте ідеальну газову константу

1. Таблицювати виміряні значення {Tj, Pij і wij}, де P0j завжди 1 бар, а T0 - виміряна кімнатна температура.
2. Розраховують і табулюють відмінності Δwij і ΔPij при кожній температурі Tj, використовуючи Рівняння 6 і Рівняння 7 .
   Δ wij = wij - w0j ( рівняння 6 )
   Δ wij = Pij - P0j = Pij - 1 бар ( Рівняння 7 )
3. Обчислити Rij для кожного вимірювання, а середнє по всіх значеннях для визначення ідеальної газової константи, Р. Альтернативно, побудувати продукт ΔPij і V як функцію добутку Δwij (розділену на молекулярну масу, MW) і Tj, і виконують лінійний регресійний аналіз для визначення нахилу, R. ( Рівняння 8 і 9 ) Для водню, МВт = 2,016 г / моль.
   Δ P V = Δ n RT ( Рівняння 8 )
   ( Рівняння 9 )

Закон про ідеальний газ є фундаментальним і корисним у науці, оскільки описує поведінку найбільш поширених газів при майже навколишніх умовах.

Закон ідеального газу, PV = nRT, визначає взаємозв'язок між кількістю молекул газу в закритій системі і трьома вимірюваними системними змінними: тиском, температурою і об'ємом.

Закон про ідеальний газ спирається на кілька припущень. По-перше, об'єм молекул газу мізерно малий. По-друге, молекули поводяться як жорсткі сфери, які підкоряються законам руху Ньютона. І, нарешті, між молекулами немає міжмолекулярних сил притягання. Вони взаємодіють один з одним за допомогою пружних зіткнень, тому немає чистого втрати кінетичної енергії. Гази відхиляються від цієї ідеальної поведінки при високих тисках, де щільність газу зростає, і реальний об'єм молекул газу стає важливим. Аналогічно, гази відхиляються при надзвичайно низьких температурах, де привабливі міжмолекулярні взаємодії стають важливими. Більш важкі гази можуть відхилятися навіть при температурі навколишнього середовища і тиску через їх більш високу щільність і більш сильні міжмолекулярні взаємодії.

Це відео експериментально підтвердить закон ідеального газу шляхом вимірювання зміни щільності газу як функції температури і тиску.

Закон про ідеальний газ випливає з чотирьох важливих відносин. По-перше, закон Бойля описує зворотно-пропорційне співвідношення між тиском і об'ємом газу. Далі, закон Гей-Люссака стверджує, що температура і тиск пропорційні. Аналогічним чином, закон Карла є заявою про пропорційність між температурою і обсягом. Ці три відносини утворюють комбінований закон про газ, який дає змогу порівняти один газ у багатьох різних умовах.

Нарешті, Авогадро визначив, що будь-які два гази, що утримуються при однаковому обсязі, температурі і тиску, містять однакову кількість молекул. Оскільки гази в тих же умовах, як правило, ведуть себе однаково, можна знайти константу пропорційності, яка називається універсальною газовою постійною (R), що пов'язує ці параметри, що дозволяє порівняти різні гази. R має одиниці енергії на температуру на молекулу; наприклад, джоулів на кельвін на моль.

Закон про ідеальний газ є цінним інструментом для розуміння відносин держави в газових системах. Наприклад, в системі постійної температури і тиску додавання додаткових молекул газу призводить до збільшення обсягу.

Аналогічно, при постійній температурі в закритій системі, де не додаються або віднімаються молекули, тиск газу збільшується, коли обсяг зменшується.

Магнітний баланс суспензії можна використовувати для експериментального підтвердження закону ідеального газу шляхом вимірювання фізичних властивостей системи. Вага твердого зразка постійної маси і об'єму може служити зондом властивостей газу навколо нього.

У міру збільшення тиску в системі, при постійному обсязі системи і температурі, кількість молекул газу в системі зростає, збільшуючи тим самим щільність газу. Жорсткий твердий зразок, занурений у цей газ, піддається плавучості, а його загальна маса зменшується, хоча її маса не змінюється. Зміна щільності газу може бути визначена за принципом Архімеда, в якому зазначено, що зміна ваги об'єкта дорівнює зміні ваги зміщеного газу.

Точна поведінка щільності газу при різних тисках і температурних умовах буде відповідати закону ідеального газу, якщо раніше описані апроксимації виконуються, що дає можливість простого розрахунку універсальної газової постійної R.

У наступній серії експериментів мікробаланс буде використовуватися для підтвердження закону ідеального газу і визначення універсальної газової постійної R шляхом вимірювання щільності водню як функції температури і тиску. По-перше, ретельно очистіть зразок, в цьому випадку тонко оброблений алюмінієвий блок, з ацетоном, і висушіть . Вимірюють об'єм зразка, заповнюючи градуйований циліндр достатньою кількістю дистильованої води для покриття зразка. Зверніть увагу на початкову гучність. Занурте зразок у воду і зверніть увагу на зміну обсягу.

Вийміть і ретельно очистіть і висушіть зразок. Далі завантажуємо його в магнітний баланс підвіски, в цьому випадку розташований всередині перчаточного ящика. Встановіть камеру тиску і температури навколо зразка. Зразок тепер магнітно підвішений в закритій системі, не торкаючись жодної зі стін.

Евакуюють середовище зразка і заповнюють газоподібним воднем, до тиску 1 бар.

Вимірюють масу зразка і маркують його як початкову масу при кімнатній температурі. Далі підвищують тиск в середовищі зразка до 2 бар, і дозволяють йому врівноважити. Виміряйте вагу при новому тиску. Повторіть ці кроки кілька разів при ряді тисків, щоб отримати ряд зразків ваг при відповідних тисках, при кімнатній температурі.

Далі вимірюють вагу як функцію тиску при більш високій температурі. Спочатку евакуюють зразки навколишнього середовища, потім підвищують температуру до 150 ° C і дають йому можливість врівноважити. Потім збільште тиск до 1 бар. Вимірюють масу зразка і маркують його як початкову масу при 150 ° C і 1 бар. Збільшуйте тиск, дайте йому врівноважити і виміряйте вагу. Повторіть ці кроки для того, щоб виміряти ряд ваг зразків у діапазоні тисків. Щоб отримати більше даних, повторіть серію вимірювань ваги при інших постійних температурах і тисках.

Для розрахунку константи ідеального газу табулюйте виміряні значення маси зразка при кожній температурі і тиску.

Далі розраховують відмінності між усіма парами ваг зразків в межах однієї встановленої температури, щоб отримати всі можливі комбінації зміни ваги як функції зміни тиску, або Δw. Ця зміна еквівалентна зміні ваги газоподібного водню, що витісняється зразком.

Аналогічно обчислюють всі відповідні відмінності в тиску для отримання зміни тиску, або ΔP. Таблицю всіх пар зміни ваги і тиску для кожної температури. Перетворюйте одиниці температури в кельвін і одиниці тиску в паскалі.

Оскільки об'єм і температура залишаються незмінними для кожної серії вимірювань, закон ідеального газу можна записати як ΔPV = ΔnRT. Оскільки Δn дорівнює Δw, розділеному на молекулярну масу водню, розрахуйте кожне значення Δn для кожного значення Δw.

Наносять добуток зміни тиску і об'єм зразка, як функцію добутку Δn і температури. Виконайте лінійний регресійний аналіз, щоб визначити нахил, який буде дорівнювати універсальної газової постійної, якщо все буде зроблено правильно.

Рівняння ідеального газу використовується в багатьох сценаріях реального світу, як правило, тих, які виконуються з газом при температурі навколишнього середовища та тиску. Всі гази відхиляються від ідеальної поведінки при високому тиску; однак деякі гази, такі як вуглекислий газ, відхиляються більше, ніж інші. У цьому експерименті були виміряні відхилення від ідеальної поведінки для газоподібного діоксиду вуглецю. Процедура ідентична попередньому експерименту, проведеному з воднем.

Діаграма тиску в часі обсягу в порівнянні з молями раз температура була побудована, і ідеальний газ константа розрахована від нахилу ділянки. Діоксид вуглецю істотно відхилявся від ідеальної поведінки, навіть за умов навколишнього середовища. Така поведінка була викликана привабливими міжмолекулярними взаємодіями, які не спостерігалися з воднем.

Закон про ідеальний газ використовується в ідентифікації та кількісному визначенні вибухових газів у зразках повітря. Цей напрямок досліджень має надзвичайно важливе значення для військових та безпеки.

Тут вибухові компоненти зразка газу були кількісно визначені за допомогою температурної десорбційної газової хроматографії. Дані, а також закон про ідеальний газ були потім використані для кількісної оцінки цих небезпечних речовин.

Ви тільки що спостерігали за вступом JoVE до ідеального закону про газ. Після перегляду цього відео потрібно розуміти поняття закону, а також ситуації, коли застосовується рівняння.

Дякую за перегляд!