Единицы измерения давления газа и соотношение между ними: Единицы измерения давления

10.4. Измерение давления газа

P = F/S 

где F-сила, ньютон, Н; S- площадь, m2.

Единица 1 Н/м2 = 1 Па, а 1 атм = 101325 Па, внесистемная единица давления «бар» равна 105 Па.Для измерения давления широко применяют ртутные и водяные манометры. С ними связаны еще две единицы измерения давления: миллиметр ртутного столба, сокращенно — мм рт. ст., или торр, и миллиметр водяного столбе сокращенно — мм вод. ст., или мм Н2O.

Обозначение единицы давления «торр» связано с именем Торричелли, Эванджелиста (1608 — 1647) — итальянского физика и математика, ученика Г. Галлилея. Торричелли впервые изобрел ртутный барометр. Единица давления 1 торр равна гидростатическому давлению столба ртути высотой 1 мм на плоское основание при 0 °С. Единица давления 1 мм вол. ст. равна гидростатическому давлению столба воды высотой 1 мм на плоское основание при +4 °с

Соотношения между единицами измерения давления: 1 торр = 133,322 Па 1 атм = 760 торр, 1 торр = 13,5951 мм вод. ст.

, 1 мм вод. ст. = 9,807 Па = 7,678-10^-2 торр.

Для измерения давления применяют жидкостные, мембранные, пружинные, тепловые и электрические манометры различных конструкций с использованием простых и сложных электронных и оптических схем.

Манометры, предназначенные для измерения атмосферного давления, называют барометрами (от греч. baros — тяжесть и metreo — измеряю), для измерения давления ниже атмосферного — вакуумметрами, а для измерения разности двух давлений ни одно из которых не является атмосферным, — дифманотрами, или дифференциальными манометрами.

Жидкостные манометры. Жидкостные манометры — самые простые и точные приборы для измерения давления. В таком приборе измеряемое давление (или вакуум) либо разность давлений уравновешиваются давлением столба манометрической жидкости, заполняющей прибор. Диапазон измерения давления жидкостными манометрами — от 10^-4 до 10⁵ Па (или от 10^-6 до 760 торр).

Жидкостные манометры делят на две большие группы: барометры и вакуумметры.

Их применяют в основном для определения давления в лабораторных условиях и для проверки других манометров.

Манометрической жидкостью в жидкостных манометрах чаще всего является ртуть, а при малых диапазонах измерения давления — вода, этанол, толуол, силиконовое масло. 

Ртуть в обычных условиях имеет очень небольшое давление пара и обладает неизмеримо малой способностью растворять газы.

Рис. 241. Ртутный барометр (в). Высота мениска (б). U-образный барометр с отрытым коленом (в) и U-образный дифбарометр (г)

Однако высокое поверхностное натяжение ртути приводит к тому, что ее мениск даже в достаточно широких трубках имеет выпуклый вид. Обусловленная этим явлением погрешность измерений для манометрических трубок с внутренним диаметром 8 мм составляет около минус 0,07 мм, а при диаметре 16 мм -примерно минус 0,01 мм.

Ртутные барометры делят на чашечные с вертикальным расположением барометрической трубки, U-образные и на приборы с наклонной барометрической трубкой.

В первом типе приборов чашка 5 (рис. 241,а), наполненная ртутью, непосредственно сообщается с атмосферой через защитный патрон 6, а барометрическая трубка 3 имеет запаянный конец и снабжена наружной шкалой 1 с подвижной шкалой-нониусом 4, позволяющей измерять положение мениска ртути с погрешностью ±0,1 мм. Положение мениска ртути и определяет внешнее атмосферное давление в мм рт. ст. Защитный патрон 6 служит для предотвращения попадания пыли на открытую поверхность ртути в сосуде 5. Он содержит активированный уголь, пропитанный иодом, и закрыт с двух сторон полимерной ватой. Такой фильтр защищает ртуть от пыли и одновременно не позволяет проникать пару ртути из сосуда 5 в помещение.

Для приготовления адсорбента 20 г активированного угля пропитывают раствором, содержащим 5 г иода в 50 мл метанола, отфильтровывают и высушила воздухе.

Прежде чем проводить какие-либо отсчеты, барометр устанавливают строго вертикально по отвесу 7. Отклонение на 1° от вертикали вызывает погрешность в измерении давления ±0,1 мм при высоте столбика ртути h=760 торр.

Отсчет значения h, берут от нижней нулевой точки шкалы когда острие 8 касается поверхности ртути, до верхней линии 0-0 мениска ртути в трубке 3 (рис. 241,6). При оценке положения мениска он должен находиться на уровне глаз. Вследствие отражения делений шкалы, нанесенных на трубку, от поверхности ртути, положение верхней точки мениска трудно заметить. Поэтому отсчет для барометрических трубок с нанесенными на них делениями рекомендуют брать на фоне передвижном полости бумаги или стекла, имеющей одну половину черную -другую белую (см. рис. 81,е). Окулярную нить зрительной трубы для отметки 0-0 (на рис. не показана) устанавливают так, чтобы деления шкалы, если она нанесена на барометрическую трубку оказались сбоку, а не перед глазами.

Истинное расстояние h отвечающее температуре 1 между острием 8 и верхней точкой мениска 0-0 на шкале, отличается из-за термического расширения шкалы от произведенного отсчета ht и равно:

(Ю.2)

где отсчет по шкале при температуре t, — температура, при которой градуировалась шкала; а — коэффициент линейного расширения материала шкалы; значения а для стекла и латуни равны соответственно 1 • 10^-5 и 2 • 10^-5 на 1 °С.

После приведения значения ht, к истинному ht0 вносят еще и температурную поправку. Тогда

(10.3)

где beta — коэффициент объемного расширения ртути, равный 1,8168*10^-4 на 1 °С в температурном интервале 0—100

oC.

Эта поправка приводит объем ртути, отвечающий температуре t, к объему, занимаемому ею при 0 °С. Поэтому ртутные манометры в процессе измерения давления должны быть защищены от изменения температуры вдоль барометрической трубки. Погрешность в оценке температуры на 1 °С будет соответствовать погрешности 0,12 мм при определении давления.

Если ртутный барометр содержит над ртутью остаточный воздух, то исключить его влияние на показания прибора можно только калибровкой такого барометра по образцовому прибору

Ртутный барометр U-образного типа с открытым концом (рис. 241,в) имеет около изгиба сужение 3 для того, чтобы резкие колебания давления не привели к выбросу ртути. Этот типы манометров широко применяют для измерения давлений от 5 до 300 торр. При измерениях трубку 4 соединяют с системой повышенного давления, а трубку 1, снабженную шкалой 2, оставляют открытой на атмосферу.

Тогда давление в системе, связной с манометром через трубку 4, будет равно алгебраической сумме показаний барометра, расположенного вблизи, и данного барометра.

В показания этих двух барометров вносят все поправки, рассмотренные выше при описании барометра. Наиболее серьезным источником погрешностей является капиллярное понижение мениска ртути. В табл. 35 приведены поправки на это явление, которые прибавляют к наблюдаемой высоте ртутного столба.

Данными табл. 35 можно пользоваться только при работе с совершенно сухой и чистой ртутью . Из табл. 35 видно, что применение для манометров трубок небольшого внутреннего диаметра приводит к неприемлемо высоким значениям капиллярного понижения мениска ртути, которое сильно зависит от высоты мениска 1. Поэтому применять для ртутных Урометров и манометров трубки с диаметром меньше 8 мм не Рекомендуют.

Если сечения левой и правой трубок барометра и манометра одинаковы и мениски ртути имеют одну и ту же высоту l, то никаких добавочных измерений проводить не нужно. Если же диаметры трубок разные и мениски ртути не одинаковы по высоте, то следует ввести поправку, представляющую собой разить поправок для верхнего и нижнего менисков.

Рис. 242. Наклонный барометр (а) и U-образный вакуумметр (б)

Перед началом измерений U-образным барометром проводят проверку нуля, соединив с атмосферой оба колена а в дифбарометре (рис. 241,г), соединив оба колена между собой при помощи крана 3 при закрытых кранах 1 и 2 По закону сообщающихся сосудов уровни в обоих коленах при этом устанавливаются на одной горизонтали. Перемещая шкалу 4 вверх или вниз, совмещают ноль шкалы с этой горизонталью.

Наклонный барометр с открытым концом 1 (рис. 242,а) обладает более высокой чувствительностью к изменениям давления по сравнению с U-образным вертикальным барометром. В наклонном колене 3 ртуть продвигается на большее расстояние 1 и измеряемое давление ее столба по шкале 2 равно

(10. 4)

где α — угол наклона трубки к горизонтали.

Жидкостные вакуумметры — приборы для измерения небольших давлений газа в системе (вакуум от лат. vacuum — пустота). Вакуум считают низким, если давление соответствует 100 — Па Па (примерно, 1 — 100 торр), среднему вакууму отвечает давление от 100 до 0,1 Па, и высокому — от 0,1 до 10^-6 Па.

Для измерения низкого вакуума в интервале 600 — 4*10^-4 Па (5 — 300 торр) в лабораториях широко используют U-образный вакуумметр (рис. 242,6). Он является составной частью любой установки по вакуумной перегонке жидкостей (см. разл-8.4).

Высота вакуумметрической трубки 1 определяет значение измеряемого давления. Внутренний диаметр этой трубки равен 9-10 мм.

Критерием отсутствия воздуха в трубке 1 служит появления резкого звука, когда ртуть ударяется в запаянный конец трубки Если в трубке 1 виден хотя бы мельчайший пузырек воздуха вакуумметр нельзя использовать.

 

Другие части:

10.4. Измерение давления газа . Часть 1

10.4. Измерение давления газа . Часть 2

10.4. Измерение давления газа . Часть 3

 

 

К оглавлению

Идеальный газ — определение, свойства, условия

В жизни мы встречаем вещества в газообразном состоянии, когда чувствуем запахи. Запах очень легко распространяется, потому что газ не имеет ни формы, ни объема (занимает весь предоставленный объем) и состоит из хаотично движущихся молекул, расстояние между которыми больше, чем размеры молекул.

Агрегатных состояний точно три?

На самом деле есть еще четвертое — плазма. Звучит как что-то из научной фантастики, но это просто ионизированный газ — газ, в котором, помимо нейтральных частиц, есть еще и заряженные. Ионизаторы воздуха как раз строятся на принципе перехода из газообразного вещества в плазму.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Модель идеального газа

В физике есть такое понятие, как модель. Модель — это что-то идеализированное, она нужна в случаях, когда можно пренебречь некоторыми параметрами объекта или процесса.

Идеальный газ — это модель реального газа. Молекулы идеального газа представляют собой материальные точки, которые не взаимодействуют друг с другом на расстоянии, но взаимодействуют при столкновениях друг с другом или со стенками сосуда. При работе с идеальным газом можно пренебречь потенциальной энергией молекул (но не кинетической).

Важно знать

Модель идеального газа не может описать ситуацию, когда газ сжимают так сильно, что он конденсируется — переходит в жидкое состояние.

В повседневной жизни идеальный газ, конечно, не встречается. Но реальный газ может вести себя почти как идеальный. Такое случается, если среднее расстояние между молекулами во много раз больше их размеров, то есть если газ очень разреженный.

Свойства идеального газа

1. Расстояние между молекулами значительно больше размеров молекул.

2. Молекулы газа очень малы и представляют собой упругие шары.

3. Силы притяжения между молекулами пренебрежимо малы.

4. Молекулы взаимодействуют только при соударениях.

5. Молекулы движутся хаотично.

6. Молекулы движутся по законам Ньютона.

Учёба без слёз (бесплатный гайд для родителей)

Пошаговый гайд от Екатерины Мурашовой о том, как перестать делать уроки за ребёнка и выстроить здоровые отношения с учёбой.

Среднеквадратичная скорость

Потенциальной энергией молекул газа пренебречь можно, а вот кинетической — никак нельзя. Потому что кинетическая энергия — это энергия движения, а мы не можем пренебрегать скоростью движения молекул.

На графике показано распределение Максвелла — то, как молекулы распределяются по скоростям. Судя по графику, большинство молекул движутся со средним значением скорости. Хотя есть и быстрые, и медленные молекулы, просто их значительно меньше.

Но наш газ идеальный, а в идеальном газе случаются чудеса. Одно из таких чудес — то, что все молекулы идеального газа двигаются с одинаковой скоростью. Эта скорость называется средней квадратичной.

Средняя квадратичная скорость vср. кв. — средняя квадратичная скорость [м/с] v1, v2, vn — скорости разных молекул [м/с] N — количество молекул [—]

Попробуйте курсы подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в онлайн-школе Skysmart!

Давление идеального газа

Молекулы газа беспорядочно движутся. Во время движения они сталкиваются друг с другом, а также со стенками сосуда, в котором этот газ находится. Поскольку молекул много, ударов тоже много.

Например, в комнате, в которой вы сейчас находитесь, за одну секунду на каждый квадратный сантиметр молекулы воздуха наносят столько ударов, что их количество выражается двадцатитрехзначным числом.

Хотя сила удара отдельной молекулы мала, действие всех молекул на стенки сосуда приводит к значительному давлению. Представьте, что комар пытается толкать машину — она не сдвинется с места. Но если за работу возьмется пара сотен миллионов комаров, то машину получится сдвинуть.

Эксперимент

Чтобы смоделировать давление газа, возьмите песок и лист бумаги, зажатый между двумя книгами. Песчинки будут выступать в роли молекул газа, а лист — в роли сосуда, в котором этот газ находится. Когда вы начинаете сыпать песок на лист бумаги, бумага отклоняется под воздействием множества песчинок. Так же и молекулы газа оказывают давление на стенки сосуда, в котором находятся.

Зависимость давления от других величин

Зависимость давления от объема

В механике есть формула давления, которая показывает, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади, на которую эта сила оказывается.

Давление p = F/S F — сила [Н] S — площадь [м2]

То есть если наши двести миллионов комаров будут толкать легковую машину, они распределятся по меньшей площади, чем если бы толкали грузовой автомобиль, — просто потому, что легковушка меньше грузовика. Из формулы давления следует, что давление на легковой автомобиль будет больше из-за его меньшей площади.

Рассмотрим аналогичный пример с двумя сосудами разной площади.

Давление в левом сосуде будет больше, чем во втором, потому что его площадь меньше. А раз меньше площадь сосуда, то меньше и его объем. Значит, давление зависит от объема следующим образом: чем больше объем, тем меньше давление, и наоборот.

При этом зависимость будет не линейная, а примет вот такой вид (при условии, что температура постоянна):

Зависимость давления от объема называется законом Бойля-Мариотта. Она экспериментально проверяется с помощью такой установки:

Объем шприца увеличивают с помощью насоса, а манометр измеряет давление. Эксперимент показывает, что при увеличении объема давление действительно уменьшается.

Зависимость давления от температуры

Рассмотрим зависимость давления газа от температуры при условии неизменного объема определенной массы газа. Исследования в этой области впервые провел французский изобретатель Жак Шарль в XVIII веке.

В ходе эксперимента газ нагревали в большой колбе, соединенной с ртутным манометром в виде узкой изогнутой трубки. Незначительным увеличением объема колбы при нагревании можно пренебречь, как и столь же незначительным изменением объема при смещении ртути в узкой манометрической трубке. Таким образом, объем газа можно считать неизменным.

Подогревая воду в сосуде, окружающем колбу, ученый измерял температуру газа термометром, а давление — манометром.

Эксперимент показал, что давление газа увеличивается с увеличением температуры. Это связано с тем, что при нагревании молекулы газа движутся быстрее, из-за чего чаще ударяются о стенки сосуда.

С температурой все проще. Зависимость давления от температуры при постоянных объеме и массе будет линейной:

Эта зависимость называется законом Шарля в честь ученого, открывшего ее.

Основное уравнение МКТ

Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами: массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа или кратко — основным уравнением МКТ.

В основе молекулярно-кинетической теории лежат три положения.

1. Все вещества образованы из мельчайших частиц — молекул, которые состоят из атомов.

   Молекулы химического вещества могут быть простыми и сложными, то есть состоять из одного или нескольких атомов. Молекулы и атомы представляют собой электрически нейтральные частицы. При определенных условиях молекулы и атомы могут приобретать дополнительный электрический заряд и превращаться в положительные или отрицательные ионы.

2. Атомы и молекулы находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Частицы взаимодействуют друг с другом силами, которые имеют электрическую природу. Гравитационное взаимодействие между частицами пренебрежимо мало.

Мы уже выяснили, что причина давления газа на стенки — это удары молекул. Давление напрямую зависит от количества молекул — чем их больше, тем больше ударов о стенки и тем больше давление. А количество молекул в единице объема — это концентрация. Значит, давление газа зависит от концентрации.

Также давление пропорционально квадрату скорости, так как чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. Расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории для идеального газа имеет следующий вид.

Основное уравнение МКТ p = nkT или p — давление газа [Па] n — концентрация [м−3] T — температура газа [К] m0 — масса одной молекулы [кг] v — средняя квадратичная скорость [м/с]

Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства: во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

Важный нюанс: средняя квадратичная скорость сама по себе не в квадрате! Ее формула указана выше, а в основном уравнении МКТ (да и не только в нем) она возведена в квадрат. Это значит, что формулу средней квадратичной скорости нужно подставлять не вместо v², а вместо v — и потом уже возводить эту формулу в квадрат. Это часто провоцирует путаницу.

Мы знаем, что кинетическая энергия вычисляется по следующей формуле:

Кинетическая энергия Ек = mv2/2 Ек — кинетическая энергия [Дж] m — масса тела [кг] v — скорость [м/с]

Для молекулы газа формула примет вид:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы Ек = m0v2/2 Ек — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж] m0 — масса молекулы [кг] v — скорость молекулы [м/с]

Из этой формулы можно выразить m₀v² и подставить в основное уравнение МКТ. Подставим и получим, что давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы.

Основное уравнение МКТ p — давление газа [Па] n — концентрация [м−3] E — средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы [Дж]

Хранение и транспортировка газов

Если нужно перевезти значительное количество газа из одного места в другое или если газ необходимо длительно хранить, его помещают в специальные прочные металлические сосуды. Из-за того, что при уменьшении объема увеличивается давление, газ можно закачать в небольшой баллон, но он должен быть очень прочным.

Сосуды, предназначенные для транспортировки газов, выдерживают высокие давления. Поэтому с помощью специальных насосов (компрессоров) туда можно закачать значительные массы газа, которые в обычных условиях занимали бы в сотни раз больший объем.

Поскольку давление газов в баллонах даже при комнатной температуре очень велико, их ни в коем случае нельзя нагревать. Например, держать под прямыми лучами солнца или пытаться сделать в них отверстие — даже после использования.

Единицы измерения давления — МегаЛекции

Датчики давления

Общие понятия о давлении

Понятие давления первоначально основывалось на работе Евангелиста Торричелли, который некоторое время был учеником Галилея. Поставив в 1643 году эксперимент с блюдцами, заполненными ртутью, он сделал вывод, что атмосфера оказывает давление на Землю. Другой великий физик Блэйз Паскаль в 1647 году вместе со своим зятем Перье провели еще один опыт: они измеряли высоту ртутного столба у подножия и на вершине горы Puy de Dome. При этом они обнаружили, что давление, действующее на столбик ртути зависит от высоты подъема. Свой прибор, который они использовали в этом эксперименте, Паскаль назвал барометром. В 1660 году Роберт Бойль сформулировал закон: ”Для заданной массы воздуха при известной температуре произведение давления на объем является постоянной величиной”. В 1738 году Даниэль Бернулли разработал теорию динамического давления газов, из которой аналитическим способом можно вывести закон Бойля. По сути Бернулли опередил закон Шарля-Гей-Люссака, сформулировав следующее утверждение: ”При нагреве газа в постоянном объеме его давление увеличивается”.

В общем виде, все материалы можно разделить на твердые тела и жидкие среды. Под термином жидкая среда здесь понимается все, что способно течь. Это могут быть как жидкости, так и газы, поскольку между ними не существует серьезных различий. При изменении давления жидкости превращаются в газы и наоборот. К жидким средам невозможно приложить давление ни в каком другом направлении, кроме перпендикулярного к поверхности. При любом угле кроме 90 жидкость просто будет соскальзывать или стекать. Для жидкой среды в стационарных условиях давление можно выразить через отношение силы F, действующей перпендикулярно поверхности к площади этой поверхности А [2]:

 

P=dF\dA (5.1)

 

Давление имеет механическую природу, и поэтому для его описания можно использовать основные физические величины: массу, длину и время. Хорошо известен факт, что давление сильно меняется вдоль вертикальной оси, тогда как на одинаковой высоте оно постоянно во всех направлениях. При увеличении высоте давление падает, что можно выразить следующим соотношением:

dp=-wdh,

где w- удельный вес среды, dh- изменение высоты, а dp- соответствующее ему изменение давления

Давление жидкой среды в замкнутом объеме не зависит от формы сосуда, поэтому при разработке датчиков давления такие параметры как форма и размеры часто бывают несущественными. Еще на одну из сторон сосуда с жидкостью или газом действует внешнее давление, оно передается по всему объему без уменьшения его значения.

Кинетическая теория газов утверждает, что давление является мерой полной кинетической энергии молекул:

 

P=2KEpC²\9V=NRT (5.3)

 

где KE- кинетическая энергия, V-объем, C²— среднее значение квадрата скоростей молекул, p- плотность, N- число молекул в единице объема, R- универсальная газовая постоянная, T- абсолютная температура.

В уравнении (5.3) предполагается, что давление и плотность газов связаны линейной зависимостью, т.е. увеличение давления приводит к пропорциональному росту плотности. Например, при температуре 0 и давлении 1 атм плотность воздуха составляет 1,3кг\м³, в то время как при той же температуре, но давлении 50 атм- его плотность в 50 раз больше. В отличие от газов плотность жидкостей мало меняется в широком диапазоне давлений и температур. Например, для воды при температуре 0 и давлении 1 атм плотность составляет 1000 кг\м³, в то время как при той же температуре и давлении 50 атм – плотность равна 1002 кг\м³, а при температуре 100 С и давлении 1 атм- плотность равна 958 кг\м³ .

Избыточное давление — это давление газа, превышающее давление окружающей среды. В противоположном случае – речь идет о вакууме. Давление называется относительным, когда его измеряют относительно давления окружающей среды, и абсолютным – когда оно измеряется по отношению к нулевому давлению. Давление среды может быть стационарным, когда жидкая среда находится в покое, или динамическим, когда оно относится к жидкостям в движении.

 

Единицы измерения давления

В системе СИ единицей измерения давления является паскаль: 1Па=1Н\м². Это значит, давление, что давление 1 паскаль равно силе, равномерно распределенной по поверхности площадью 1 квадратный метр. Иногда в качестве технической единицы измерения давления применяется единица, называемая атмосфера, обозначаемая 1атм. Одна атмосфера это давление, которое оказывает столб воды высотой один метр на плорщадку один квадратный сантиметр при температуре +4 С и нормальном гравитационном ускорении. Между единицами давления существует следующая взаимосвязь:

1Па=1,45x 10^{-4 фунт – сила/ дюйм2} =9,869×10^-6атм=7,5 x10^-4cм ртутного столба.

Для грубых оценок можно заполнить еще одно соотношение: 0,1мм H₂O создает давление, приблизительно равное 1Па. В промышленности применяется другая единица давления, называемая торр (это название дано в честь физика Торричелли), которая определяется как давление, создаваемое столбиком ртути высотой 1 мм при 0 С, нормальном атмосферном давлении и нормальной гравитации. Идеальное давление атмосферы Земли, равное 760 торр, называется технической атмосферой (1атм= 760 торр=101,325 Па).

В системе единиц США давление измеряется в фунтах-силы на квадратный дюйм. Эта единица там обозначается как psi. Для перевода psi в единицы системы СИ можно воспользоваться соотношением:

1 psi= 6,89×10³ Па=0,0703 атм.

Принцип действия любого датчика давления заключается в преобразовании давления, испытываемого чувствительным элементом, в электрический сигнал. В конструкцию практически всех преобразователей давления входят сенсоры, обладающие известной площадью поверхности, чья деформация или перемещение, возникающие вследствие действия давления, и определяются в процессе измерений. Т.о, многие датчики давления реализуются на основе детекторов перемещения или силы, причиной возникновения которой является такое же перемещение.

 

Ртутные датчики давления

На рис. 5.1 показан простой датчик давления, использующий принцип сообщающихся сосудов. Чаще всего такие датчики применяются для измерения давления газов. U-образный провод с точкой заземления в центре помещается в U- образную трубку с ртутью. Часть этого провода оказывается закороченной ртутью, в результате чего сопротивление в обоих ветвях провода всегда будет пропорционально высоте столбиков ртути. Полученные резисторы включены в схему моста Уинстона, который находится в уравновешенном состоянии пока равно нулю дифференциальное давление в трубке.

 

 

Давление, приложенное к одному из концов в трубке (например, левой), приводит к разбалансировке мостовой схемы и появлению на ее выходе ненулевого сигнала. Чем выше давление в левой части трубки, тем больше сопротивление соответствующего плеча и тем меньше сопротивление противоположного. Выходное напряжение пропорционально разности сопротивлений R в 2 плечах моста , незакороченных ртутью участков провода:

V_out=VR=Vbp

Такой датчик обычно калибруется напрямую в торрах. К сожалению, простота является практически единственным его достоинством, потому что он обладает целым рядом существенных недостатков: необходимостью прецизионного выравнивания, плохой помехозащищенностью от ударов и вибраций, большими габаритами и загрязнением газа ртутными парами. Отметим, что такой датчик может использоваться и в качестве детектора наклона, поскольку нулевой сигнал на его выходе при отсутствии внешнего давления на одно из плечей трубки свидетельствует о строго горизонтальном его расположении.

 

 

---

Воспользуйтесь поиском по сайту:

13.

4: Единицы давления и преобразования

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

53802

Рисунок \(\PageIndex{1}\) (Источник: Пользователь: IFCAR/Wikimedia Commons; Источник: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mercury-Grand-Marquis.jpg(открывается в новом окне); Лицензия: общественное достояние)

Угадайте, сколько лет этой машине?

Поддержание надлежащего давления воздуха в автомобильной шине имеет ряд преимуществ. Поездка более плавная и безопасная, чем при слишком низком давлении. У автомобиля увеличивается расход топлива, а шины изнашиваются не так быстро. Рекомендуемое давление для этой модели автомобиля (обычно где-то между \(32\)-\(35 \: \text{psi}\)) обычно указано в руководстве по эксплуатации или выбито где-то внутри двери. Давление в шине — это максимальное давление для данной шины, а не рекомендуемое. Давление в шинах лучше всего измерять, когда шина холодная, так как при вождении автомобиля воздух в шине нагревается и давление повышается.

Единицы измерения давления и их преобразование

Барометр измеряет давление газа по высоте ртутного столба. Одна единица давления газа — это миллиметр ртутного столба \(\left( \text{мм} \: \ce{Hg} \right)\). Единица, эквивалентная \(\text{мм} \: \ce{Hg}\), называется \(\text{торр}\) в честь изобретателя барометра Эванджелисты Торричелли. паскалей \(\left( \text{Pa} \right)\) является стандартной единицей давления. Паскаль — это очень маленькое давление, поэтому наиболее удобной единицей измерения повседневного давления газа является килопаскаль \(\left( \text{кПа} \right)\). Килопаскаль равен 1000 паскалей. Другой часто используемой единицей давления является 9.0030 атмосфера \(\left( \text{atm} \right)\). Стандартное атмосферное давление определяется как \(1 \: \text{атм}\) давления и равно \(760 \: \text{мм} \: \ce{Hg}\) и \(101,3 \:\ текст{кПа}\). Атмосферное давление также часто указывается в фунтах на квадратный дюйм \(\left( \text{psi} \right)\). Атмосферное давление на уровне моря равно \(14,7 \: \text{psi}\).

\[1 \: \text{атм} = 760 \: \text{мм} \: \ce{Hg} = 760 \: \text{торр} = 101,3 \: \text{кПа} = 14,7 \: \text{psi}\номер\]

Важно уметь конвертировать разные единицы давления. Для этого мы будем использовать эквивалентные стандартные давления, показанные выше.

Пример \(\PageIndex{1}\): преобразование единиц измерения давления

Атмосферное давление в гористой местности измеряется как \(613 \: \text{мм} \: \ce{Hg}\). Каково это давление в \(\text{атм}\) и в \(\text{кПа}\)?

Решение

Шаг 1: Перечислите известные количества и спланируйте задачу.

Известно

• Дано: \(613 \: \text{мм} \: \ce{Hg}\)
• \(1 \: \text{атм} = 760 \: \text{мм} \: \ce{Hg}\)
• \(101,3 \: \text{кПа} = 760 \: \text{мм} \: \ce{Hg}\)

Неизвестно

• Давление \(= ? \: \text{атм}\)
• Давление \(= ? \: \text{кПа}\)

Используйте коэффициенты пересчета из единиц эквивалентного давления для преобразования из \(\text{мм} \: \ce{Hg}\) в \(\text{атм}\) и из \(\text{мм} \: \ce{Hg}\) в \(\text{кПа}\).

Шаг 2: Решить.

\[613 \: \text{мм} \: \ce{Hg} \times \frac{1 \: \text{атм}}{760 \: \text{мм} \: \ce{Hg} } = 0,807 \: \text{атм}\номер \]

\[613 \: \text{мм} \: \ce{Hg} \times \frac{101,3 \: \text{кПа}}{760 \ : \text{мм} \: \ce{Hg}} = 81,7 \: \text{кПа}\nonumber \]

Шаг 3: Подумайте о своем результате.

Давление воздуха составляет около \(80\%\) стандартного атмосферного давления на уровне моря. Для значащих цифр стандартное давление \(760 \: \text{мм} \: \ce{Hg}\) имеет три значащие цифры.

Резюме

• Расчеты описываются для преобразования между различными единицами давления.

Обзор

1. Какой прибор измеряет давление газа по высоте ртутного столба?
2. 1 атм = ___ торр
3. 32,02 атм = ___ кПа
4. 542 мм рт. ст. = ___ фунтов на кв. дюйм
5. Давление в автомобильной шине составляет 35 фунтов на квадратный дюйм. Сколько это атмосфер?

---

Эта страница под названием 13.4: Единицы измерения давления и преобразования распространяется под лицензией CK-12 и была создана, изменена и/или курирована Фондом CK-12 через исходный контент, отредактированный в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

ЛИЦЕНЗИЯ ПОД

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   Фонд СК-12

   Лицензия

   СК-12

   Программа OER или Publisher

   СК-12

   Показать страницу TOC

   № на стр.

2. Теги

   1. источник@https://flexbooks.ck12.org/cbook/ck-12-chemistry-flexbook-2.0/

9.1 Давление газа – Химия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определить свойство давления
• Определение и преобразование единиц измерения давления
• Описать работу обычных инструментов для измерения давления газа
• Расчет давления по данным манометра

Атмосфера Земли оказывает давление, как и любой другой газ. Хотя обычно мы не замечаем атмосферного давления, мы чувствительны к изменениям давления — например, когда ваши уши «хлопают» во время взлета и посадки во время полета или когда вы ныряете под воду. Давление газа обусловлено силой, действующей на молекулы газа, сталкивающиеся с поверхностями предметов (рис. 1). Хотя сила каждого столкновения очень мала, любая поверхность значительной площади испытывает большое количество столкновений за короткое время, что может привести к высокому давлению. Фактически, нормальное давление воздуха достаточно велико, чтобы раздавить металлический контейнер, если его не уравновешивает равное давление внутри контейнера.

Рисунок 1. Атмосфера над нами оказывает большое давление на объекты на поверхности земли, примерно равное весу шара для боулинга, дающего площадь размером с ноготь большого пальца руки человека.

Яркая иллюстрация атмосферного давления представлена ​​в этом коротком видеоролике, в котором показано, как железнодорожная цистерна взрывается при снижении внутреннего давления.

Кратко объясняется демонстрация этого явления в меньшем масштабе.

Атмосферное давление обусловлено весом столба молекул воздуха в атмосфере над объектом, например, автоцистерной. На уровне моря это давление примерно такое же, как у взрослого африканского слона, стоящего на коврике у двери, или у типичного шара для боулинга на ногте большого пальца. Это может показаться огромным количеством, и это так, но жизнь на Земле развивалась под таким атмосферным давлением. Если вы на самом деле держите шар для боулинга на ногте большого пальца, испытанное давление равно 9.0049 дважды давление обычное, а ощущение неприятное.

В общем, давление определяется как сила, действующая на данную площадь: . Обратите внимание, что давление прямо пропорционально силе и обратно пропорционально площади. Таким образом, давление можно увеличить либо за счет увеличения силы, либо за счет уменьшения площади, на которую она воздействует; давление можно уменьшить, уменьшив силу или увеличив площадь.

Давайте применим эту концепцию, чтобы определить, кто с большей вероятностью провалится сквозь тонкий лед на рис. 2 — слон или фигурист? Большой африканский слон может весить 7 тонн, опираясь на четыре фута, каждый из которых имеет диаметр около 1,5 фута (площадь следа 250 на 9 м).0216 2 ), поэтому давление, оказываемое каждой ногой, составляет около 14 фунтов/дюйм ² :

Фигурист весит около 120 фунтов и поддерживается двумя лезвиями коньков, площадь каждого из которых составляет около 2 дюймов ² , поэтому давление, оказываемое каждым лезвием, составляет около 30 фунтов/дюйм ² :

Несмотря на то, что слон более чем в сто раз тяжелее фигуриста, он оказывает меньше половины давления и, следовательно, с меньшей вероятностью упадет на тонкий лед. С другой стороны, если фигуристка снимает коньки и стоит босиком (или в обычной обуви) на льду, большая площадь, на которую приходится ее вес, значительно снижает оказываемое давление:

Рисунок 2. Хотя (а) вес слона велик, создавая очень большую силу на землю, (б) фигуристка оказывает гораздо большее давление на лед из-за малой площади поверхности ее коньков. (кредит а: модификация работы Гвидо да Роззе; кредит б: модификация работы Рёске Яги)

Единицей давления в СИ является паскалей (Па) , где 1 Па = 1 Н/м ² , где Н — ньютон, единица силы определяется как 1 кг м/с ² . Один паскаль — это небольшое давление; во многих случаях удобнее использовать единицы измерения килопаскаль (1 кПа = 1000 Па) или бар (1 бар = 100 000 Па). В Соединенных Штатах давление часто измеряется в фунтах силы на площади в один квадратный дюйм — фунтов на квадратный дюйм (psi) — например, в автомобильных шинах. Давление также можно измерить с помощью единицы атмосферы (атм) , которая первоначально представляла собой среднее атмосферное давление на уровне моря приблизительно на широте Парижа (45°). В таблице 1 представлена ​​некоторая информация об этих и некоторых других распространенных единицах измерения давления

. 7 p s i. The next unit name is atmosphere, and is is abbreviated as a t m. The definition or relation to other unit is 1 a t m equals 101,325 P a and air pressure at sea level is approximately one a t m. The next unit name is bar, and it is abbreviated as bar or b. The definition or relation to other unit is 1 bar equals 100,000 P a exactly and commonly used in meteorology. The next unit name is millibar, and it is abbreviated as m b a r or m b. The definition or relation to other unit is 1000 m b a r equals one bar. The next unit name is inches of mercury, and it is abbreviated as i n period, H g. The definition or relation to other unit is one i n period H g equals 3386 P a and is used by the aviation industry and also some weather reports. The next unit is torr. The definition or relation to other unit is 1 torr equals 1 over 760 a t m and named after Evangelista Torricelli, inventor of the barometer. The last unit name is millimeters of mercury, and it is abbreviated as m m H g. The definition or relation to other unit is 1 m m H g is approximately 1 torr. «>

Название устройства и сокращение	Определение или связь с другим блоком
паскаль (Па)	1 Па = 1 Н/м 2 рекомендованный блок ИЮПАК
килопаскаль (кПа)	1 кПа = 1000 Па
фунтов на квадратный дюйм (psi)	давление воздуха на уровне моря составляет ~ 14,7 фунтов на квадратный дюйм
атмосфера (атм)	1 атм = 101 325 Па атмосферное давление на уровне моря ~1 атм
бар (бар или б)	1 бар = 100 000 Па (точно) обычно используется в метеорологии
миллибар (мбар или мб)	1000 мбар = 1 бар
дюймов ртутного столба (дюймов ртутного столба)	1 дюйм ртутного столба = 3386 Па используется авиационной промышленностью, а также некоторые сводки погоды
торр	назван в честь Евангелисты Торричелли, изобретателя барометра .
миллиметров ртутного столба (мм рт. ст.)	1 мм рт.ст. ~1 торр
Таблица 1.  Единицы измерения давления

Пример 1

Преобразование единиц измерения давления
Национальная метеорологическая служба США сообщает о давлении как в дюймах ртутного столба, так и в миллибарах. Преобразуйте давление 29,2 дюйма ртутного столба в:

(a) торр

(b) атм

(c) кПа

(d) мбар

Решение
Проблема с преобразованием единиц измерения. Соотношения между различными единицами измерения давления приведены в таблице 1.

(a)

(b)

(c)

(d)

Проверьте свои знания
Типичное атмосферное давление в Канзас-Сити составляет 740 торр. Чему равно это давление в атмосферах, миллиметрах ртутного столба, килопаскалях и барах?

Ответ:

0,974 атм; 740 мм рт. ст.; 98,7 кПа; 0,987 бар

Мы можем измерить атмосферное давление, силу, оказываемую атмосферой на поверхность земли, с помощью 9барометр 0030 (рис. 3). Барометр представляет собой стеклянную трубку, которая закрыта с одного конца и заполнена нелетучей жидкостью, такой как ртуть, а затем перевернута и погружена в сосуд с этой жидкостью. Атмосфера давит на жидкость снаружи трубки, столб жидкости давит внутри трубки, а давление на поверхности жидкости внутри и снаружи трубки одинаково. Таким образом, высота жидкости в трубке пропорциональна давлению атмосферы.

Рис. 3. В барометре высота столба жидкости ч используется для измерения атмосферного давления. Использование очень плотной жидкой ртути (слева) позволяет создавать барометры разумного размера, тогда как использование воды (справа) потребует барометра высотой более 30 футов.

Если жидкость представляет собой воду, нормальное атмосферное давление будет поддерживать столб воды высотой более 10 метров, что довольно неудобно для изготовления (и считывания) барометра. Поскольку ртуть (Hg) примерно в 13,6 раза плотнее воды, ртутный барометр должен быть такой же высоты, как водяной барометр — более подходящего размера. Стандартное атмосферное давление 1 атм на уровне моря (101 325 Па) соответствует ртутному столбу высотой около 760 мм (290,92 дюйма) в высоту. Первоначально предполагалось, что торр будет единицей, равной одному миллиметру ртутного столба, но это больше не соответствует точно. Давление, создаваемое жидкостью под действием силы тяжести, известно как гидростатическое давление , p :

.

, где h — высота жидкости, ρ — плотность жидкости, g — ускорение свободного падения.

Пример 2

Расчет барометрического давления
Приведите расчет, подтверждающий утверждение о том, что атмосферное давление на уровне моря соответствует давлению столба ртути высотой около 760 мм. Плотность ртути = 13,6 г/см ³ .

Solution
The hydrostatic pressure is given by p = hρg , with h = 760 mm, ρ = 13. 6 g/cm ³ , and g = 9.81 m/s ² . Подставив эти значения в уравнение и выполнив необходимые преобразования единиц измерения, мы получим искомое значение. (Примечание: мы ожидаем найти давление ~101 325 Па:)

Проверьте свои знания
Рассчитайте высоту водяного столба при температуре 25 °C, которая соответствует нормальному атмосферному давлению. Плотность воды при этой температуре составляет 1,0 г/см ³ .

Ответ:

10,3 м

Манометр — это устройство, похожее на барометр, которое можно использовать для измерения давления газа, находящегося в контейнере. Манометр с закрытым концом представляет собой U-образную трубку с одним закрытым плечом, другое плечо, которое соединяется с измеряемым газом, и нелетучей жидкостью (обычно ртутью) между ними. Как и в случае с барометром, расстояние между уровнями жидкости в двух ответвлениях трубки ( ч на диаграмме) пропорциональна давлению газа в баллоне. Манометр с открытым концом (рис. 4) аналогичен манометру с закрытым концом, но одно его плечо открыто в атмосферу. В этом случае расстояние между уровнями жидкости соответствует разнице давлений между газом в сосуде и атмосферой.

Рис. 4. Манометр можно использовать для измерения давления газа. (Разница) высоты между уровнями жидкости ( h ) является мерой давления. Ртуть обычно используется из-за ее большой плотности.

Пример 3

Расчет давления с помощью манометра с закрытым концом
Давление пробы газа измеряется с помощью манометра с закрытым концом, как показано справа. Жидкость в манометре – ртуть. Определить давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Раствор
Давление газа равно ртутному столбу высотой 26,4 см . (Давление на нижней горизонтальной линии одинаково по обеим сторонам трубки. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — давлением 26,4 см ртутного столба, или ртутью. ) Мы могли бы использовать уравнение 9.0049 p = hρg , как в примере 2, но проще просто преобразовать единицы измерения с помощью таблицы 1. пробы газа измеряют манометром с закрытым концом. Жидкость в манометре – ртуть. Определить давление газа в:

(а) торр

(б) Па

(в) бар

Ответ:

(а) ~150 торр; (б) ~20 000 Па; (в) ~0,20 бар

Пример 4

Расчет давления с помощью манометра с открытым концом
Давление пробы газа измеряется на уровне моря ртутным манометром с открытым концом, как показано справа. Определить давление газа в:

(a) мм рт. ст.

(b) атм

(c) кПа

Раствор
Давление газа равно гидростатическому давлению столба ртути высотой 13,7 см плюс давление атмосферы на уровне моря. (Давление на нижней горизонтальной линии одинаково по обеим сторонам трубы. Давление слева обусловлено газом, а давление справа — 13,7 см рт. ст. плюс атмосферное давление.)

(a) В мм рт. ст. это: 137 мм рт. ст. + 760 мм рт. ст. = 897 мм рт. ст. на уровне моря с помощью ртутного манометра с открытым концом, как показано справа. Определить давление газа в:

(а) мм рт.ст.

(б) атм

(в) кПа

Ответ:

(а) 642 мм рт.ст.; (б) 0,845 атм; (в) 85,6 кПа

Измерение артериального давления

Артериальное давление измеряется с помощью устройства, называемого сфигмоманометром (греч. sphygmos = «пульс»). Он состоит из надувной манжеты для ограничения кровотока, манометра для измерения давления и метода определения момента начала кровотока и момента, когда он становится затрудненным (рис. 5). С момента своего изобретения в 1881 году он был незаменимым медицинским устройством. Существует много типов сфигмоманометров: ручные, для которых требуется стетоскоп и которые используются медицинскими работниками; ртутные, используемые, когда требуется наибольшая точность; менее точные механические; и цифровые, которые можно использовать с небольшой подготовкой, но которые имеют ограничения. При использовании сфигмоманометра манжету надевают на плечо и надувают до полной блокировки кровотока, затем медленно отпускают. Когда сердце бьется, кровь, проталкиваемая по артериям, вызывает повышение давления. Это повышение давления, при котором начинается кровоток, является систолическое давление— пиковое давление в сердечном цикле. Когда давление в манжете равно артериальному систолическому давлению, кровь течет мимо манжеты, создавая слышимые звуки, которые можно услышать с помощью стетоскопа. За этим следует снижение давления, поскольку желудочки сердца готовятся к следующему сокращению. По мере того как давление в манжете продолжает снижаться, в конце концов звук перестает быть слышимым; это диастолическое давление — самое низкое давление (фаза покоя) в сердечном цикле. Единицы измерения артериального давления сфигмоманометра выражены в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Рисунок 5. (a) Медицинский техник готовится к измерению артериального давления пациента с помощью сфигмоманометра. (b) В типичном сфигмоманометре используется резиновая груша с клапаном для надувания манжеты и манометр с диафрагмой для измерения давления. (кредит: модификация работы старшего сержанта Джеффри Аллена)

Метеорология, климатология и атмосферные науки

На протяжении веков люди наблюдали за облаками, ветрами и осадками, пытаясь определить закономерности и сделать прогноз: когда лучше сажать и собирать урожай; безопасно ли отправляться в морское путешествие; и многое другое. Сейчас мы сталкиваемся со сложными проблемами, связанными с погодой и атмосферой, которые окажут серьезное влияние на нашу цивилизацию и экосистему. Несколько различных научных дисциплин используют химические принципы, чтобы помочь нам лучше понять погоду, атмосферу и климат. Это метеорология, климатология и наука об атмосфере. Метеорология изучает атмосферу, атмосферные явления и влияние атмосферы на погоду на Земле. Метеорологи стремятся понять и предсказать погоду в краткосрочной перспективе, что может спасти жизни и принести пользу экономике. Прогнозы погоды (рис. 6) являются результатом тысяч измерений атмосферного давления, температуры и т. д., которые компилируются, моделируются и анализируются в метеорологических центрах по всему миру.

Рисунок 6. Метеорологи используют карты погоды для описания и предсказания погоды. Области высокого (H) и низкого (L) давления оказывают большое влияние на погодные условия. Серые линии представляют места постоянного давления, известные как изобары. (кредит: модификация работы Национального управления океанических и атмосферных исследований)

С точки зрения погоды, системы низкого давления возникают, когда атмосферное давление на поверхности земли ниже, чем в окружающей среде: влажный воздух поднимается вверх и конденсируется, образуя облака. Движение влаги и воздуха в пределах различных погодных фронтов провоцирует большинство погодных явлений.

Атмосфера — это газовый слой, окружающий планету. Атмосфера Земли, толщина которой составляет примерно 100–125 км, состоит примерно из 78,1% азота и 21,0% кислорода, и ее можно разделить на области, показанные на рисунке 7: экзосфера (самая удаленная от Земли,> 700 км над уровнем моря) , термосфера (80–700 км), мезосфера (50–80 км), стратосфера (второй нижний уровень нашей атмосферы, 12–50 км над уровнем моря) и тропосфера (до 12 км над уровнем моря, примерно 80% земной атмосферы по массе и слой, в котором происходит большинство погодных явлений). По мере того, как вы поднимаетесь выше в тропосфере, плотность воздуха и температура уменьшаются.

Рис. 7. Атмосфера Земли состоит из пяти слоев: тропосферы, стратосферы, мезосферы, термосферы и экзосферы.

Климатология – это изучение климата, усредненных погодных условий за длительные периоды времени с использованием атмосферных данных. Однако климатологи изучают закономерности и эффекты, происходящие в течение десятилетий, столетий и тысячелетий, а не более короткие временные рамки часов, дней и недель, как метеорологи. Наука об атмосфере — еще более широкая область, объединяющая метеорологию, климатологию и другие научные дисциплины, изучающие атмосферу.

Газы оказывают давление, которое равно силе на единицу площади. Давление газа может быть выражено в единицах СИ паскаль или килопаскаль, а также во многих других единицах, включая торр, атмосферу и бар. Атмосферное давление измеряется с помощью барометра; другие давления газа могут быть измерены с использованием одного из нескольких типов манометров.

атмосфера (атм)

единица давления; 1 атм = 101 325 Па

бар

(бар или б) единица давления; 1 бар = 100 000 Па

барометр

прибор для измерения атмосферного давления

гидростатическое давление

давление, оказываемое жидкостью под действием силы тяжести

манометр

Устройство, используемое для измерения давления газа, находящегося в сосуде

паскаль (Па)

Единица давления в системе СИ; 1 Па = 1 Н/м ²

фунтов на квадратный дюйм (psi)

единица давления, распространенная в США

давление

сила, действующая на единицу площади

торр

единица давления;

газовых законов

газовых законов

Нижеследующее является содержанием лекции 18. В этой лекции мы рассмотрим газовые законы: Шарля, Бойля, Авагадро и Гей-Люссака, а также законы идеального и комбинированного газа.

 

Законы свойств газа

Существует 4 общих закона, связывающих между собой 4 основных характерных свойства газов. Каждый закон назван по имени его первооткрывателя. Хотя важно понимать отношения, охватываемые каждым законом, знание отправителя не так важно и станет излишним после введения комбинированного закона о газах. Так что сконцентрируйтесь на понимании взаимосвязей, а не на запоминании имен.

Закон Чарльза- дает отношение между объемом и температурой , если давление и количество газа поддерживаются постоянными :

1) Если температура газа по шкале Кельвина увеличивается, объем газа увеличивается. (P, n постоянная)
2) Если температура газа по Кельвину уменьшается, объем газа уменьшается. (P, n постоянная)

Это означает, что объем газа прямо пропорционален его температуре по Кельвину. Подумайте об этом так: если вы увеличиваете объем газа и должны поддерживать постоянное давление, единственный способ добиться этого — повысить температуру газа.

Расчеты с использованием закона Чарльза включают изменение либо температуры (T ₂ ), либо объема (V ₂ ) от известного начального количества каждого из них (V ₁ и T ₁ ):

 

Закон Бойля — гласит, что объем данного количества газа при постоянной температуре изменяется обратно пропорционально приложенному давлению, когда температура и масса постоянны.

Уменьшение объема газа означает, что молекулы чаще ударяются о стенки, увеличивая давление, и наоборот, если объем увеличивается, расстояние, которое молекулы должны пройти, чтобы удариться о стенки, увеличивается, и они реже ударяются о стенки, тем самым уменьшая давление. давление.

Как и закон Чарльза, закон Бойля можно использовать для определения текущего давления или объема газа, если известны начальные состояния и одно из изменений:

Закон Авагадро — Определяет соотношение между объемом и количеством газа в молях, когда давление и температура поддерживаются постоянными.

Если количество газа в контейнере увеличивается, объем увеличивается. Если количество газа в сосуде уменьшается, объем уменьшается. Это предполагает, конечно, что контейнер имеет расширяемые стенки.

Отношения снова прямо пропорциональны, поэтому уравнение для расчетов равно

 

Закон Гей-Люссака гласит, что давление данного количества газа при постоянном объеме прямо пропорционально температуре Кельвина.

 

Если вы нагреваете газ, вы даете молекулам больше энергии, чтобы они двигались быстрее. Это означает большее количество ударов о стенки контейнера и увеличение давления. И наоборот, если вы охладите молекулы, они замедлятся, и давление уменьшится.

Чтобы рассчитать изменение давления или температуры с помощью закона Гей-Люссака, уравнение выглядит следующим образом:

Чтобы немного поиграть с отношениями, попробуйте эту симуляцию.

Закон идеального газа:

Комбинация представленных выше законов порождает закон идеального газа:

Добавление константы пропорциональности, называемой идеальной или универсальной газовой постоянной (R), завершает уравнение.

Как видите, существует множество возможных единиц измерения константы. Единственная постоянная константа заключается в том, что температурная шкала во всем — КЕЛЬВИН.

При использовании закона идеального газа для расчета любого свойства газа вы должны сопоставлять единицы измерения с выбранной вами газовой постоянной, и вы всегда должны указывать свою температуру в градусах Кельвина.

Чтобы использовать уравнение, вам просто нужно определить, чего не хватает в вопросе, и перестроить уравнение, чтобы решить его.

Типичный вопрос был бы задан, поскольку 6,2 литра идеального газа содержатся при 3,0 атм и 37 °C. Сколько из этих молей газа присутствует?

Поскольку единицы газовой постоянной задаются с использованием атмосфер, молей и градусов Кельвина, важно убедиться, что вы конвертируете значения, указанные в других шкалах температуры или давления. Для этой задачи переведите температуру в градусах Цельсия в К, используя уравнение:

.

Т = °С + 273

Т = 37°С + 273
Т = 310 К

Теперь вы можете подставить значения. Решите для количества родинок

н = ПВ/РТ

n = (3,0 атм x 6,2 л) / (0,08206 л атм/моль К x 310 К)
n = 0,75 моль

 

Вот несколько практических задач на использование закона идеального газа: Практика

Закон о комбинированном газе

Выше я сказал, что запоминание всех уравнений для каждого из отдельных газовых законов станет неактуальным после введения последующих законов. Закон, о котором я говорил, — это Закон о комбинированном газе:

Комбинированный газовый закон позволяет вам получить любое из необходимых соотношений, комбинируя все изменяемые части в законе об идеальном газе: а именно: давление, температуру и объем. R и количество молей не фигурируют в уравнении, поскольку они обычно постоянны и, следовательно, сокращаются, поскольку они появляются в равных количествах в обеих частях уравнения.

Как видно выше, уравнение можно решить для любого из входящих в него параметров. Но что еще более важно, вы можете исключить из уравнения все, что останется постоянным.

Например, если в вопросе говорилось, что система при 1 атм и объеме 2 литра претерпела изменение на 3,5 литра, рассчитайте новое давление, вы можете просто исключить температуру из уравнения и получить:

P ₂ = P ₁ V ₁ /V ₂ = (1 атм)(2 л)/3,5 л) = 0,6 атм

Поскольку в вопросе никогда не упоминается температура, мы можем предположить, что она остается постоянной и, следовательно, не учитывается в расчетах. Вы также должны подумать об ответе, который вы получите, с точки зрения того, что вы знаете о газах и о том, как они действуют.