Количественное соотношение между объемом и давлением газа впервые установил Роберт Бойль в 1662 г.* Закон Бойля-Мариотта гласит, что при постоянной температуре объем газа обратно пропорционален его давлению. Этот закон применим к любому фиксированному количеству газа. Как видно из рис. 3.2, его графическое представление может быть разным. Левый график показывает, что при малом давлении объем фиксированного количества газа велик. Объем газа уменьшается при повышении его давления. Математически это записывается так:
Однако обычно закон Бойля-Мариотта записывают в виде
Такая запись позволяет, например, зная исходный объем газа V1 и его давление р вычислить давление р2 в новом объеме V2.
Закон Гей-Люссака (закон Шарля)
В 1787 г. Шарль показал, что при постоянном давлении объем газа изменяется (пропорционально его температуре. Эта зависимость представлена в графической форме на рис. 3.3, из которого видно, что объем газа линейно связан с его температурой. В математической форме эта зависимость выражается так:
Закон Шарля чаще записывают в другом виде:
V1IT1 = V2T1 (2)
Закон Шарля усовершенствовал Ж. Гей-Люссак, который в 1802 г. установил, что объем газа при изменении его температуры на 1°С изменяется на 1/273 часть того объема, который он занимал при 0°С. Отсюда следует, что если взять произвольный объем любого газа при 0°С и при постоянном давлении уменьшить его температуру на 273°С, то конечный объем окажется равным нулю. Это соответствует температуре -273°С, или 0 К. Такая температура называется абсолютным нулем. В действительности ее нельзя достичь. На рис. 3.3 показано, как экстраполяция графиков зависимости объема газа от температуры приводит к нулевому объему при 0 К.
Абсолютвый нуль, строго говоря, недостижим. Однако в лабораторных условиях удается достичь температур, отличающихся от абсолютного нуля всего на 0,001 К. При таких температурах беспорядочные движения молекул практически прекращаются. Это приводит к появлению удивительных свойств. Например, металлы, охлажденные до температур, близких к абсолютному нулю, почти полностью утрачивают электрическое сопротивление и становятся сверхпроводящими*. Примером веществ с другими необычными низкотемпературными свойствами является гелий. При температурах, близких к абсолютному нулю, у гелия исчезает вязкость и он становится сверхтекучим.
* В 1987 г. обнаружены вещества (керамика, спеченная из оксидов лантаноидных элементов, бария и меди), которые становятся сверхпроводящими при сравнительно высоких температурах, порядка 100 К (- 173 °С). Эти «высокотемпературные» сверхпроводники открывают большие перспективы в технике.- Прим. перев.
Закон формулируется следующим образом: произведение объема данной массы гaзa на его давление при неизменной температуре есть величина постоянная. Математически этот закон можно написать так:
P 1 V 1 = P 2 V 2 или PV = const (1)
Из закона Бойля-Мариотта вытекают следствия: плотность и концентрация газа при постоянной температуре прямо пропорциональны давлению, под которым газ находится:
(2);
(3) ,
где d 1 – плотность, C 1 – концентрация газа под давлением P 1 ; d 2 и С 2 – соответствующие величины под давлением Р 2 .
Пример 1. В газовом баллоне емкостью 0,02м 3 находится газ под давлением 20 атм. Какой объем займет газ, если, не изменяя его температуру, открыть вентиль баллона? Окончательное давление 1 атм.
Пример 2. Сжатый воздух подается в газгольдер (резервуар для сбора газа) объемом 10 м 3 . За какое время его накачают до давления 15 атм, если компрессор засасывает 5,5 м 3 атмосферного воздуха в минуту при давлении 1 атм. Температуру считать постоянной.
Пример 3. 112 г азота под давлением 4 атм занимают объем 20 литров. Какое нужно приложить давление, чтобы концентрация азота стала 0,5 моль/л при условии, что температура остается неизменной?
1.1.2 Законы Гей-Люссака и Шарля
Гей-Люссак установил, что при постоянном давлении с повышением температуры па 1°С объем данной массы газа увеличивается на 1/273 его объема при 0°С.
Математически этот закон пишется:
(4)
,
где V- объем газа при температуре t°С, a V 0 – объем газа при 0°С.
Шарль показал, что давление данной массы газа при нагревании на 1С при постоянном объеме увеличивается на 1/273 того давления, которым обладает газ при 0°С. Математически этот закон записывается следующим образом:
(5)
,
где Р 0 и Р - давления газа соответственно при температурах 0С и tС.
При замене шкалы Цельсия шкалой Кельвина, связь между которыми устанавливается соотношением Т = 273 + t , формулы законов Гей-Люссака и Шарля значительно упрощаются.
Закон Гей-Люссака: при постоянном давлении объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре:
(6)
.
Закон Шарля: при постоянном объеме давление данной массы газа прямо пропорционально его aбcoлютной температуре:
(7)
.
Из законов Гей-Люссака и Шарля следует, что при постоянном давлении плотность и концентрация газа обратно пропорциональны его абсолютной температуре:
(8)
,
(9) .
где d 1 и С 1 - плотность и концентрация газа при абсолютной температуре Т 1 , d 2 и C 2 -соответствующие величины при абсолютной температуре Т 2 .
Пример 4. Пpи 20ºC объем газа равен 20,4 мл. Какой объем займет газ при его охлаждении до 0°С, если давление остается постоянным?
Прим ep 5. При 9°С давление внутри баллона с кислородом было 94 атм. Вычислить, насколько увеличилось давление в баллоне, если температура поднялась до 27ºС?
Пример 6. Плотность газообразного хлора при 0ºС и давлении 760 мм рт. ст. равна 3,220 г/л. Найти плотность хлора, принимая его за идеальный газ, при 27ºС при тoм же давлении.
Пример 7. При нормальных условиях концентрация окиси углерода равна 0,03 кмоль/м 3 . Вычислить, при какой температуре масса 10 м 3 окиси углерода будет равна 7 кг?
Объединенный закон Бойля- Мариотта - Шарля – Гей-Люссака.
Формулировка этого закона: для данной массы газа произведение давления на объем, деленное на абсолютную температуру, постоянно при всех изменениях, происходящих с газом. Математическая запись:
(10)
где V 1 - объем и Р 1 - давление данной массы газа при абсолютной температуре Т 1 , V 2 - объем и P 2 - давление той же массы газа при абсолютной температуре Т 2 .
Одним из важнейших применений объединенного закона газового состояния является „приведение объема газа к нормальным условиям".
Пример 8. Газ при 15°С и давлении 760 мм рт. ст. занимает объем 2 л. Привести объем газа к нормальным условиям.
Для облегчения подобных расчетов можно воспользоваться коэффициентами пересчета, приведенными и таблицах.
Пример 9. В газометре над водой находится 7,4 л кислорода при температуре 23°С и давлении 781 мм рт. ст. Давление водяного пара при этой температуре равно 21 мм рт. ст. Какой объем займет находящийся в газометре кислород при нормальных условиях?
Как мы дышим?
Объем воздуха между легочными пузырьками и внешней средой осуществляется в результате ритмичных дыхательных движений грудной клетки. При вдохе объем грудной клетки и легких увеличивается, при этом давление в них понижается и воздух через воздухоносные пути (нос, горло) входит в легочные пузырьки. При выходе объем грудной клетки и легких уменьшается, давление в легочных пузырьках повышается и воздух с избыточным содержанием оксида углерода (углекислого газа) выходит из легких наружу. Здесь применим закон Бойля –Мариотта, то есть зависимость давления от объема.
Долго ли мы сможем не дышать? Даже тренированные люди могут задерживать дыхание на 3-4 и даже 6 минут, но не дольше. Более длительное кислородное голодание может привести к смерти. Поэтому кислород должен поступать в организм постоянно. Дыхание – перенос кислорода из окружающей среды внутрь организма. Основной орган дыхательной системы
– легкие, вокруг которых имеется плевральная жидкость.
Применение закона Бойля-Мариотта
Газовые законы активно работают не только в технике, но и в живой природе, широко применяются в медицине.
Закон Бойля-Мариотта начинает «работать на человека»(как впрочем и на любого млекопитающее) с момента его рождения, с первого самостоятельного вздоха.
При дыхании межреберные мышцы и диафрагма периодически изменяют объем грудной клетки. Когда грудная клетка расширяется, давление воздуха в легких падает ниже атмосферного, т.е. «срабатывает» изотермический закон (pv=const), и в следствие образовавшегося перепада давлений происходит вдох.
Дыхание легочное: диффузия газов в легких
Для того, чтобы обмен путем диффузии был достаточно эффективным, обменная поверхность должна быть большой, а диффузинное расстояние - маленьким. Диффузионный барьер в легких полностью отвечает этим условиям. Общая поверхность альвеол составляет около 50 - 80 кв. м. По своим структурным особенностям ткань легких подходит для осуществления диффузии: кровьлегочных капилляров отделена от альвеолярного пространства тончайшим слоем ткани. В процессе диффузии кислород проходит через альвеолярный эпителий, интерстициальное пространство между основными мембранами, эндотелий капилляра, плазму крови, мембрану эритроцита и внутреннюю среду эритроцита. Суммарное диффузное расстояние составляет всего около 1 мкм.
Молекулы углекислого газа диффундируют по тому же пути, но в обратном направлении - от эритроцита к альвеолярному пространству. Однако диффузия углекислого газа становится возможной только после высвобождения его из химической связи с другими соединениями.
При прохождении эритроцита через легочные капилляры время, в течении которого возможна диффузия (время контакта), относительно невелико (около 0,3 с). Однако этого времени вполне достаточно для того, чтобы напряжение дыхательных газов в крови и их парциальное давление в альвеолах практически сравнялись.
Опыт определить дыхательный объём и жизненную ёмкость лёгких.
Цель: определить дыхательный объём и жизненную ёмкость лёгких.
Оборудование: воздушный шарик, измерительная лента.
Ход работы :
Надуем воздушный шарик, как можно сильнее за N (2) спокойных выдохов.
Измерим шарика диаметр и рассчитаем его объем по формуле:
Где d–диаметр шара.
Вычислим дыхательный объем своих лёгких: , где N – числи выдохов.
Надуем шарик ещё два раза и вычислим среднее значение дыхательного объёма своих лёгких
Определим жизненную ёмкость лёгких (ЖЕЛ) – наибольший обьем воздуха, который человек может выдохнуть после самого глубокого вдоха. Для этого, не отнимая шарик ото рта, сделаем глубокий вдох через нос и максимальный выдох через рот в шарик. Повторим 2 раз. , где N=2.
Изучение зависимости между параметрами, характеризующими состояние данной массы газа, начнем с изучения газовых процессов, протекающих при неизменности одного из параметров. Английский ученый Бойль (в 1669 г.) и французский ученый Мариотт (в 1676 г.) открыли закон, который выражает зависимость изменения давления от изменения объема газа при постоянной температуре. Проведем следующий опыт.
Вращением рукоятки будем изменять объем газа (воздуха) в цилиндре А (рис. 11, а). По показанию манометра заметим что и давление газа при этом изменяется. Будем менять объем газа в сосуде (объем определяется по шкале В) и, замечая давление, запишем их в табл. 1. Из нее видно, что произведение объема газа на его давление было почти постоянным: во сколько раз "уменьшался объем газа, во столько же раз увеличивалось его давление.
В результате подобных, более точных, опытов было открыто: для данной массы газа при постоянной температуре давление газа изменяется обратно пропорционально изменению объема газа. Это и есть формулировка закона Бойля-Мариотта. Математически он для двух состояний запишется так:
Процесс изменения состояния газа при постоянной температуре называется изотермическим. Формула закона Бойля-Мариотта является уравнением изотермического состояния газа. При постоянной температуре средняя скорость движения молекул не меняется. Изменение объема газа вызывает изменение числа ударов молекул о стенки сосуда. Это и есть причина изменения давления газа.
Изобразим графически этот процесс, например для случая V = 12 л, р = 1 ат. . Будем откладывать на оси абсцисс объем газа, а на оси ординат - его давление (рис. 11, б). Найдем точки, соответствующие каждой паре значений V и р, и, соединив их между собой, получим график изотермического процесса. Линия, изображающая зависимость между объемом и давлением газа При постоянной температуре, называется изотермой. Изотермические процессы в чистом виде не встречаются. Но нередки случаи, когда температура газа мало меняется, например при накачивании компрессором воздуха в баллоны, при впуске горючей смеси в цилиндр двигателя внутреннего сгорания. В таких случаях расчеты объема и давления газа производятся по закону Бойля- Мариотта * .
Закон Бойля-Мариотта - один из фундаментальных законов физики и химии , который связывает изменения давления и объема газообразных веществ. При помощи нашего калькулятора легко решить простые задачи по физике или химии.
Закон Бойля-Мариотта
Изотермический газовый закон был открыт ирландским ученым Робертом Бойлем , который проводил опыты над газами под давлением. При помощи U-образной трубки и обычной ртути Бойль установил простую закономерность, что в каждый момент времени произведение давления на объем газа неизменно. Если говорить сухим математическим языком, то закон Бойля-Мариотта гласит, что при неизменной температуре произведение давления и объема постоянно :
Для сохранения постоянного соотношения величины должны изменяться в разные стороны: во сколько раз уменьшится одна величина, во столько же раз увеличится другая. Следовательно, давление и объем газа обратно пропорциональны и закон можно переписать в следующем виде:
P1×V1 = P2×V2,
где P1 и V1 - начальные значения давления и объема соответственно, а P2 и V2 - конечные значения.
Применение закона Бойля-Мариотта
Наилучшей иллюстрацией проявления открытого Бойлем закона является погружение пластиковой бутылки под воду. Известно, что если газ помещен в баллон, то давление на вещество будет определяться только стенками баллона. Другое дело, когда это пластичная бутылка, которая легко изменяет свою форму. На поверхности воды (давление 1 атмосфера) закрытая бутылка будет сохранять свою форму, однако при погружении на глубину 10 м на стенки сосуда будет действовать давление в 2 атмосферы, бутылка начнет сжиматься, а объем воздуха уменьшится в 2 раза. Чем глубже будет погружаться пластиковая тара, тем меньший объем будет занимать воздух внутри нее.
Это простая демонстрация действия газового закона иллюстрирует важный вывод для многих дайверов. Если на поверхности воды баллон с воздухом имеет емкость 20 л, то при погружении на глубину 30 м, воздух внутри сожмется в три раза, следовательно, воздуха для дыхания на такой глубине будет в три раза меньше, чем на поверхности.
Помимо дайверской темы, закон Бойля-Мариотта в действии можно наблюдать в процессе сжатия воздуха в компрессоре или в расширении газов при использовании насоса.
Наша программа представляет собой онлайн-инструмент, при помощи которого легко рассчитать пропорцию для любого газового изотермического процесса. Для использования инструмента вам требуется знать три любые величины, а калькулятор автоматически рассчитает искомую.
Примеры работы калькулятора
Школьная задача
Рассмотрим простую школьную задачку, в которой требуется найти первоначальный объем газа, если давление изменилось с 1 до 3 атмосфер, а объем уменьшился до 10 л. Итак, у нас есть все данные для расчета, которые требуется ввести в соответствующие ячейки калькулятора. В итоге получаем, что первоначальный объем газа составлял 30 литров.
Еще о дайвинге
Вспомним пластиковую бутыль. Представим, что мы погрузили бутыль, наполненную 19 л воздуха на глубину 40 м. Как изменится объем воздуха на поверхности? Это более сложная задачка, но только потому, что нам требуется перевести глубину в давление. Мы знаем, что на поверхности воды атмосферное давление составляет 1 бар, а при погружении в воду давление увеличивается на 1 бар каждые 10 м. Это означает, что на глубине 40 м бутыль будет под давлением приблизительно 5 атмосфер. У нас есть все данные для расчета, и в результате мы увидим, что объем воздуха на поверхности увеличится до 95 литров.
Заключение
Закон Бойля-Мариотта встречается в нашей жизни довольно часто, поэтому вам несомненно пригодится калькулятор, который автоматизирует расчеты по этой простой пропорции.
