Bagaimana gas berperilaku dalam ruang hampa? Definisi hukum gas ideal

Bagikan lewat

Teori kontinu

Konsep model: Gas "dapat dituang" (cairan) dan mengalir dengan cara yang mirip dengan cairan. Teori kontinuum dan ringkasan hukum gas berikut didasarkan pada pengalaman dan dapat menjelaskan semua proses dalam gas mendekati tekanan atmosfer. Hanya setelah dimungkinkan untuk menggunakan pompa vakum yang lebih baik untuk mengencerkan udara hingga jalur bebas rata-rata meningkat jauh melampaui dimensi bejana, asumsi yang lebih luas diperlukan; ini memuncak dalam teori gas kinetik. Teori gas kinetik berlaku di seluruh rentang tekanan; teori kontinu mewakili kasus khusus (secara historis lebih lama) dalam hukum gas di mana kondisi atmosfer berlaku.

Ringkasan hukum gas yang paling penting (teori kontinu)

Hukum Boyle-Mariotte

p · V = konstan
untuk T = konstan (isotermal)

Hukum Gay-Lussac (Hukum Charles)

untuk p = konstan (isobar)

Hukum Amonton

untuk V = konstan (isokor)

Hukum Dalton

Hukum Poisson

Hukum Avogadro

Hukum gas ideal

Juga: Persamaan keadaan untuk gas ideal (dari teori kontinu)

Persamaan van der Waals

a, b = konstan (tekanan internal, kovolume)
V_m = Volume molar
juga: Persamaan keadaan untuk gas sebenarnya

Persamaan Clausius-Clapeyron

L = Entalpi penguapan,
T = Suhu evaporasi,
V _m,v, V _m,l = Volume molar uap atau cairan

Teori gas kinetik

Dengan penerimaan pandangan atom dunia - disertai dengan kebutuhan untuk menjelaskan reaksi dalam gas yang sangat encer (di mana teori kontinuum gagal) - "teori gas kinetik" dikembangkan. Dengan menggunakan ini, tidak hanya dapat memperoleh hukum gas ideal dengan cara lain, tetapi juga menghitung banyak kuantitas lain yang terlibat dalam kinetika gas - seperti laju tabrakan, panjang jalur bebas rata-rata, waktu pembentukan lapisan tunggal, konstanta difusi, dan banyak kuantitas lainnya.

Konsep model dan asumsi dasar:

Atom/molekul adalah titik.
Gaya ditransmisikan satu sama lain hanya melalui tabrakan.
Tabrakan bersifat elastis.
Gangguan molekuler (keacakan) mendominasi.

Model yang sangat sederhana dikembangkan oleh Krönig. Di dalam sebuah kubus terdapat partikel N, yang seperenamnya bergerak ke arah permukaan kubus tertentu. Jika tepi kubus berukuran 1 cm, maka kubus akan mengandung n partikel (densitas nomor partikel); dalam satuan waktu n · c · Δt/6 molekul akan mencapai setiap dinding di mana perubahan denyut per molekul, karena perubahan arah melalui 180°, akan sama dengan 2 · m_T · c. Jumlah perubahan denyut untuk semua molekul yang membentur dinding akan menghasilkan gaya yang efektif pada dinding ini atau tekanan yang bertindak pada dinding, per unit area permukaan.

gambar tidak ditemukan: Hukum gas ideal 1

Hukum gas ideal yang berasal dari teori gas kinetik

Jika salah satu mengganti c2 dengan c2- maka perbandingan kedua persamaan gas "umum" ini akan menunjukkan:

Ekspresi dalam kurung di sisi kiri adalah konstanta Boltzmann k; di sisi kanan adalah ukuran energi kinetik rata-rata molekul:

Konstanta Boltzmann

Energi kinetik rata-rata molekul

Dalam bentuk ini, persamaan gas memberikan indikasi kinetika gas dari suhu!

Massa molekul adalah

di mana NA adalah nomor Avogadro (sebelumnya: nomor Loschmidt).

Konstanta Avogadro

Oleh karena itu, dari undang-undang gas ideal pada kondisi standar
(T_n = 273,15 K dan p_n = 1013,25 mbar):

Untuk konstanta gas umum:

Definisi satuan dan persamaan dasar

Densitas nomor partikel n (cm ^-3)

Menurut teori gas kinetik, jumlah n molekul gas, yang direferensikan terhadap volume, bergantung pada tekanan p dan suhu termodinamik T sebagaimana dinyatakan dalam hal berikut:

(1,1)

n = densitas nomor partikel
k = konstanta Boltzmann

Oleh karena itu, pada suhu tertentu, tekanan yang diberikan oleh gas hanya bergantung pada densitas nomor partikel dan bukan pada sifat gas. Sifat partikel gas ditandai, antara lain, oleh massanya m_T.

Massa jenis gas ρ (kg · m ^-3, g · cm ^-3)

Produk dari densitas nomor partikel n dan massa partikel mT adalah densitas gas
p:

(1,2)

Persamaan hukum gas ideal

Hubungan antara massa mT molekul gas dan massa molar M gas ini adalah sebagai berikut:

(1,3)

Angka Avogadro (atau konstan) N_A menunjukkan berapa banyak partikel gas yang akan terkandung dalam satu mol gas. Selain itu, ini adalah faktor proporsionalitas antara konstanta gas R dan konstanta Boltzmann k:

(1,4)

Dapat diturunkan secara langsung dari persamaan di atas (1,1) hingga (1,4) adalah korelasi antara tekanan p dan kepadatan gas ρ dari gas ideal.

(1,5)

Dalam praktiknya, kita akan sering mempertimbangkan volume tertutup tertentu V di mana gas hadir pada tekanan tertentu p. Jika m adalah massa gas yang hadir dalam volume itu, maka

(1,6)

Hukum gas ideal kemudian langsung mengikuti persamaan (1,5):

(1,7)

Di sini, quotient m / M adalah jumlah mol υ yang ada dalam volume V.
Bentuk yang lebih sederhana berlaku untuk m / M = 1, yaitu untuk 1 mol:

(1.7a)

Contoh numerik berikut dimaksudkan untuk mengilustrasikan korelasi antara massa gas dan tekanan untuk gas dengan massa molar yang berbeda, di sini menggambarkan nilai numerik dalam Tabel IV. Terkandung dalam volume 2 galon (10 liter), pada suhu 68°F (20°C), akan
a) 1g helium
b) 1g nitrogen
Saat menggunakan persamaan (1,7), hasilnya adalah pada V = 10l , m = 1g,

Dalam kasus a) di mana M = 4 g · mol ^-1 (gas monoatomik):
Dalam kasus b), dengan M = 28 ≠ g mol ^-1 (gas diatomik):

Tabel IV Kompilasi rumus penting yang terkait dengan teori kinetik gas

Hasilnya, meski tampak paradoks, adalah bahwa massa tertentu dari gas ringan memberikan tekanan yang lebih besar daripada massa yang sama dari gas yang lebih berat. Namun, jika Anda mempertimbangkan bahwa pada densitas gas yang sama (lihat Persamaan 1,2) akan ada lebih banyak partikel gas yang lebih ringan (n besar, m kecil) daripada untuk gas yang lebih berat (n kecil, m besar), hasilnya menjadi lebih mudah dipahami karena hanya densitas nomor partikel n yang menentukan tingkat tekanan, dengan asumsi suhu yang sama (lihat Persamaan 1,1).

Tugas utama teknologi vakum adalah mengurangi densitas nomor partikel n di dalam volume tertentu V. Pada suhu konstan, ini selalu setara dengan pengurangan tekanan gas p. Perhatian eksplisit harus ditarik pada titik ini pada fakta bahwa pengurangan tekanan (menjaga volume) dapat dicapai tidak hanya dengan mengurangi densitas nomor partikel n tetapi juga (sesuai dengan Persamaan 1,5) dengan mengurangi suhu T pada densitas gas konstan. Fenomena penting ini harus selalu dipertimbangkan bila suhu tidak seragam di seluruh volume V.

Blog & Wiki Fundamental Physics of Vacuum Vacuum Fundamentals