Gaz vakumda nasıl davranır? İdeal gaz yasasının tanımı
Süreklilik teorisi
Model konsepti: Gaz "akabilir" (sıvı) ve sıvıya benzer şekilde akar. Süreklilik teorisi ve aşağıdaki gaz yasalarının özeti deneyime dayalıdır ve atmosferik basınca yakın gazlardaki tüm süreçleri açıklayabilir. Ancak havayı seyreltmek için her zamankinden daha iyi vakum pompaları kullanmak mümkün hale geldikten sonra, ortalama serbest yol haznenin boyutlarının çok ötesine çıktı ve daha kapsamlı varsayımlar gerekli oldu; bunlar kinetik gaz teorisinde sonuçlandı. Kinetik gaz teorisi tüm basınç aralığı boyunca geçerlidir; süreklilik teorisi, atmosferik koşulların hakim olduğu gaz yasalarındaki (tarihsel olarak daha eski) özel durumu temsil eder.
En önemli gaz yasalarının özeti (süreklilik teorisi)
Boyle-Mariotte Yasası
p · V = sabit
T = sabit (izotermal) için
Gay-Lussac Yasası (Charles Yasası)
p = sabit için (izobar)
Amonton Yasası
V = sabit (izokor) için
Dalton Yasası
Poisson Yasası
Avogadro Yasası
İdeal gaz Yasası
Ayrıca: İdeal gazlar için durum denklemi (süreklilik teorisinden)
Van der Waals Denklemi
a, b = sabitler (dahili basınç, ortak hacimler)
Vm = Molar hacim
ayrıca: Gerçek gazlar için durum denklemi
Clausius-Clapeyron Denklemi
L = Buharlaşma entalpisi,
T = Buharlaşma sıcaklığı,
V m,v, V m,l = Buhar veya sıvının molar hacimleri
Kinetik gaz teorisi
Son derece seyreltilmiş gazlardaki reaksiyonları açıklama ihtiyacıyla (süreklilik teorisinin başarısız olduğu yerlerde) birlikte dünyanın atomik bakış açısının kabul edilmesiyle birlikte "kinetik gaz teorisi" geliştirilmiştir. Bunu kullanarak, ideal gaz yasasını başka bir şekilde türetmekle kalmaz, aynı zamanda çarpışma oranları, ortalama serbest yol uzunlukları, tek katman oluşum süresi, difüzyon sabitleri ve diğer birçok miktar gibi gazların kinetiğiyle ilgili diğer birçok miktarı hesaplamak da mümkündür.
Model konseptleri ve temel varsayımlar:
- Atomlar/moleküller noktalardır.
- Kuvvetler sadece çarpışma yoluyla birbirine aktarılır.
- Çarpışmalar elastiktir.
- Moleküler bozukluk (randomite) hakimdir.
Krönig tarafından çok basitleştirilmiş bir model geliştirildi. Bir küpte N parçacıklar bulunur, bunların altıda biri küpün herhangi bir yüzeyine doğru hareket eder. Küpün kenarı 1 cm uzunluğunda ise, n parçacık (parçacık sayısı yoğunluğu) içerecektir; bir süre birimi içinde n · c · Δt/6 moleküller, 180° boyunca yön değişikliği nedeniyle molekül başına darbe değişiminin 2 · mT · c'ye eşit olacağı her duvara ulaşacaktır. Duvara çarpan tüm moleküller için darbe değişimlerinin toplamı, bu duvar üzerinde etkili bir kuvvet veya yüzey alanı birimi başına duvar üzerinde etki eden basınç ile sonuçlanacaktır.
görüntü bulunamadı: İdeal gaz yasası 1
Kinetik gaz teorisinden türetilen ideal gaz yasası
c2 yerine c2 kullanılırsa, bu iki "genel" gaz denkleminin bir karşılaştırması şunları gösterecektir:
Sol taraftaki parantez içindeki ifade Boltzmann sabiti k'dir; sağ tarafta moleküllerin ortalama kinetik enerjisinin bir ölçüsüdür:
Boltzmann sabiti
Moleküllerin ortalama kinetik enerjisi
Bu formda gaz denklemi, sıcaklığın gaz kinetik göstergesini sağlar!
Moleküllerin kütlesi
burada NA, Avogadro'nun numarasıdır (eskiden: Loschmidt numarası).
Avogadro sabiti
Böylece, standart koşullarda ideal gaz yasasından
(Tn = 273,15 K ve pn = 1013,25 mbar):
Genel gaz sabiti için:
Birimlerin ve temel denklemlerin tanımları
Partikül sayısı yoğunluğu n (cm -3)
Kinetik gaz teorisine göre, hacme göre gaz moleküllerinin n sayısı, aşağıda ifade edildiği gibi basınç p ve termodinamik sıcaklık T'ye bağlıdır:
(1,1)
n = parçacık sayısı yoğunluğu
k = Boltzmann sabiti
Bu nedenle, belirli bir sıcaklıkta gaz tarafından uygulanan basınç sadece partikül sayısı yoğunluğuna bağlıdır ve gazın doğasına bağlı değildir. Bir gaz partikülünün doğası, diğer faktörlerin yanı sıra kütlesi mT ile karakterize edilir.
Gaz yoğunluğu ρ (kg · m -3, g · cm -3)
Partikül sayısı yoğunluğu n ve partikül kütlesi mT'nin ürünü gaz yoğunluğudur
p:
(1,2)
İdeal gaz yasası denklemi
Bir gaz molekülünün kütlesi mT ile bu gazın molar kütlesi M arasındaki ilişki aşağıdaki gibidir:
(1,3)
Avogadro sayısı (veya sabiti) N A, bir gaz molünde kaç tane gaz partikülünün olacağını belirtir. Buna ek olarak, gaz sabiti R ile Boltzmann sabiti k arasındaki oransallık faktörüdür:
(1,4)
Yukarıdaki denklemlerden (1,1) ila (1,4) doğrudan p basıncı ile ideal bir gazın ρ gaz yoğunluğu arasındaki korelasyon türetilebilir.
(1,5)
Pratikte genellikle gazın belirli bir basınçta mevcut olduğu belirli bir kapalı hacim V'yi düşünürüz. m, bu hacimde mevcut olan gazın kütlesi ise,
(1,6)
İdeal gaz yasası daha sonra doğrudan denklemden (1,5) gelir:
(1,7)
Burada m / M katsayısı, hacim V'de mevcut olan mol υ sayısıdır.
m / M = 1 için daha basit form geçerlidir, yani 1 mol için:
(1.7a)
Aşağıdaki sayısal örnek, farklı molar kütlelere sahip gazlar için gazın kütlesi ile basınç arasındaki korelasyonu göstermek içindir ve burada Tablo IV'teki sayısal değerlere dayanmaktadır. 2 galon (10 litre) hacimde, 68°F'de (20°C)
a) 1g helyum
b) 1g azot
Denklem (1,7) kullanıldığında V = 10l , m = 1g,
a) durumunda, M = 4 g · mol -1 (monatomik gaz):
b) durumunda, M = 28 ≠ g mol -1 (diatomik gaz) ile:
Tablo IV Gazların kinetik teorisine ilişkin önemli formüllerin derlenmesi
Sonuç, paradoksal görünse de, hafif bir gazın belirli bir kütlesinin, daha ağır bir gazın aynı kütlesinden daha fazla basınç uygulamasıdır. Ancak aynı gaz yoğunluğunda (bkz. Denklem 1,2) daha hafif bir gazın (büyük n, küçük m) daha ağır gaza (küçük n, büyük m) kıyasla daha fazla partikülünün mevcut olacağı dikkate alınırsa, sonuçlar daha anlaşılır hale gelir, çünkü basınç seviyesi için eşit sıcaklık varsayılarak sadece partikül sayısı yoğunluğu n belirleyicidir (bkz. Denklem 1,1).
Vakum teknolojisinin ana görevi, belirli bir hacim V içindeki partikül sayısı yoğunluğunu n azaltmaktır. Sabit sıcaklıkta bu her zaman gaz basıncı p'nin düşürülmesine eşdeğerdir. Bu noktada, sadece partikül sayısı yoğunluğu n'nin düşürülmesiyle değil, aynı zamanda (Denklem 1,5'e göre) sabit gaz yoğunluğundaki sıcaklık T'nin düşürülmesiyle de basıncın düşürülebileceği (hacmin korunması) gerçeğine açıkça dikkat edilmelidir. Sıcaklığın hacim V boyunca homojen olmadığı durumlarda bu önemli olgu her zaman dikkate alınmalıdır.
Vakum Teknolojisinin Temelleri
Vakum pompası temellerini ve proseslerini keşfetmek için "Vakum Teknolojisinin Temelleri" adlı e-Kitabımızı indirin.
Referanslar
- Vakum sembolleri
- Terimler Sözlüğü
- Referanslar ve kaynaklar
Vakum sembolleri
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
Vakum sembolleri
Pompa tiplerinin ve pompalama sistemlerindeki parçaların görsel bir temsili olarak vakum teknolojisi şemalarında yaygın olarak kullanılan sembollerin sözlüğü
Terimler Sözlüğü
Vakum teknolojisinde kullanılan ölçüm birimlerine ve sembollerin ne anlama geldiğine ve tarihi birimlerin modern eşdeğerlerine genel bir bakış
Referanslar ve kaynaklar
Vakum teknolojisinin temel bilgileriyle ilgili referanslar, kaynaklar ve daha fazla okuma
