Газові закони - Максикури
Суспільство розробило закони, які дозволяють йому контролювати і керувати населенням. Суворість цих законів варіюється залежно від країни та типу політичного режиму. Наприклад, закон вашої країни вимагає сплати податків.
У природи також є свої закони, які регулюють різні фізичні або хімічні явища. Велика різниця між природними законами, тобто законами природи, та штучними законами, тобто законами, створеними людьми, полягає в їх жорсткості.
Справді, природні закони не можна обійти стороною, тоді як суспільство скоріше служить керівництвом для офіційного оцінювання вчинків окремих людей.
Закони газів незмінні, тобто вони не можуть змінюватися. Наприклад, один із цих законів передбачає, що газ у закритій посудині чинить однаковий тиск на всі точки стін; цей закон є завжди правда, незалежно від того, де і коли це перевіряється.
У цьому дослідженні ви вивчите різні закони, що регулюють поведінку газів.
Дослідження під назвою властивості газів вчить вас, що повітря має масу і, отже, вагу. Ви також знаєте, що рідини завдяки силі тяжіння чинять тиск на занурені в них тіла. Так само повітря, що становить атмосферу, вага якого є значним, створює тиск на землю та тіла, що знаходяться в цій атмосфері.
Люди та тварини, які населяють цей океан повітря, не знають про наявність атмосферного тиску, оскільки він однаково діє на всі сторони тіла, включаючи всередині; тому тиск збалансований у всіх напрямках.
Базова одиниця визначеним для тиску в міжнародній системі одиниць є паскаль (Па) і Ньютон (N). Однак тиск в 1 Па є насправді занадто низьким тиском для нашого відчуття дотику, щоб сприйняти. Тому більшу частину часу ми використовуємо кратні, кілопаскаль (кПа) та мегапаскаль (МПа).
Більшість тисків вказані відносно еталонного тиску, тобто атмосферного тиску.
Однак атмосферний тиск змінюється залежно від місцезнаходження та атмосферних умов на рівні моря від 98 до 104 кПа. Загалом він залишається досить стабільним на рівні 101 кПа, як це можна спостерігати щодня в розділі погоди.
У сучасній практиці інша одиниця, т.зв. "бар", через його приблизну відповідність атмосферному тиску (р атм).
1 бар = 100 кПа
Зверніть увагу, що, говорячи про тиск, краще оцінювати порядок, а не фокусуватись на точності. У цьому сенсі збережіть такі співвідношення: p атм = приблизно 1 бар = приблизно 100 кПа
Абсолютний тиск у рідині - це реальний тиск цієї рідини, тобто тиск, який панує у всіх її молекулах. Наприклад, повітря, яким ми дихаємо, має абсолютний тиск близько p = 1,01 бар.
При вимірюванні тиску рідини, закритої в закритому посуді, використовуютьманометр ми отримуємо, як на малюнку нижче ефективний тиск цієї рідини, тобто значення його тиску без урахування атмосферного тиску.
Тому ми вимірюємо надлишковий тиск відносно атмосферного. Дійсно, манометр з самого початку піддається атмосферному тиску.
Тому всі показання, які ви берете під час робочого досвіду, відображають ефективний тиск. Отже, ефективний тиск 500 кПа (5 бар) є тиском, який на 500 кПа перевищує атмосферний.
Манометр:
Щоб знати абсолютний тиск рідини, закритої в закритому посуді, ми повинні додати до ефективного тиску значення нормального атмосферного тиску, тобто приблизно 1 бар або 100 кПа. Отже, ефективний тиск 500 кПа еквівалентний абсолютному тиску 600 кПа.
Ефективний тиск також називають "відносним тиском", оскільки отримують показники проти атмосферного тиску. По-англійськи ми також називаємо манометр.
Циліндр подвійної дії на наступному малюнку працює з тиском 7 бар. Це тиск, показаний на манометрі, званий відносним тиском. До забору повітря в камерах циліндрів знаходився атмосферний тиск через вихлоп, тобто 1 бар. Манометр показує 0. Абсолютний тиск дорівнює 7 + 1 = 8 бар.
Тиск:
Вакуумний тиск:
На відміну від компресора, який стискає повітря під тиском, ми отримуємо негативний тиск порівняно з атмосферним, коли намагаємось створити вакуум у закритій посудині. Цей негативний тиск позначається виразом "вакуумний тиск".
Вакуумна шкала тиску працює навпаки, оскільки вона прагне до ідеального вакууму. Отже, максимальний вакуумний тиск атмосферний тиск, і найнижчий тиск, абсолютний вакуум (0 Па). На практиці технічно неможливо, щоб вакуумний насос досяг ідеального вакууму через витоки.
Ми визначаємо манометри негативного тиску використовуючи абревіатуру "VAC". Оскільки діапазон негативних тисків невеликий, для більшої точності більше використовують одиниці виміру, крім Па. Значення в дужках відповідають максимальному негативному тиску, тобто атмосферному тиску:
- паскалі (101 000 Па);
- метрів води (10,33 м);
- сантиметри ртуті (76 см рт. ст.).
На наступному малюнку порівнюються різні шкали тиску щодо вакууму та атмосферного тиску.
Порівняння тиску:
"При постійній температурі об'єм, зайнятий даною масою газу, змінюється обернено до тиску, який він підтримує". Ми можемо записати це відношення у вигляді наступного рівняння: p 1 V 1 = p 2 V 2 = Постійний
На початку вихідні умови, об'єм повітря V 1 (V 1 = 1) циліндра становить тиск р 1 , атмосферний тиск, під дією сили F 1. Якщо об’єм повітря V 1 стискається під дією сили F 2, для отримання об’єму V 2, половини V 1, тиск p 2 збільшиться вдвічі. На рисунку 1.5 показані ці варіації.
Варіації p як функція від V:
Гіпотези:
1 атм = 1,013 бар;
p 1 = 1 бар для V 1 = 1;
p 2 =? для V 2 = = .
p 1 V 1 = p 2 V 2
р 2 =
р 2 =
p 2 = 2 бари = 2 атм
Атмосфера (атм) - це одиниця тиску, що вимірює приблизно 1,01 бар, 101 кПа.
Зверніть увагу, що значення тиску, що використовуються з цим рівнянням, є абсолютними тисками (ефективний тиск + атмосферний тиск).
Наслідуючи цей приклад, ми можемо стверджувати, що при постійній температурі об’єм, який займає газ, переходить від V 1 до V 2, до V 3 тощо. коли тиск, який вона зазнає, переходить від р 1 до р 2, до р 3 і т.д.
Закон Гей-Люссака:
При постійному тиску об’єм незмінної маси газу пропорційний його абсолютній температурі .
Закон Чарльза:
При постійному обсязі тиск незмінної маси газу пропорційний його абсолютній температурі.
Розширення тіл є одним із ефектів тепла, безпосереднім наслідком підвищення температури. Спостереження фактично показують, що найчастіше, при нагріванні газу його об’єм збільшується; кажуть, що він розширюється, і це явище називається розширенням.
Розширення пояснюється амплітуда молекулярного збудження: чим вище температура, тим більше молекул рухається і віддаляється, молекулярне збудження є основою теорії тепла. З іншого боку, скорочення відбувається за рахунок зниження температури, що призводить до зменшення молекулярних рухів.
"Коефіцієнт кубічного розширення газу - це збільшення обсягу, яке зазнає одиниця об'єму цього газу при підвищенні температури на один градус". Значення коефіцієнта кубічного розширення газу можна визначити, використовуючи таке рівняння:
K = в якому:
К являє собою коефіцієнт кубічного розширення тіла:
V 2 - об’єм тіла при температурі Т 2 (абсолютна температура);
V 1 - об’єм одного і того ж тіла при температурі T 1 (абсолютна температура).
Як показано на наступному малюнку, ми можемо побудувати прилад для вимірювання змін об’єму газу через коливання температури під атмосферним тиском під час вимірювання об'єму. Циліндр, обсяг якого відомий, має поршень, який може ковзати без помітного тертя.
Вимірювальний пристрій:
Занурюємо циліндр наповнений повітрям у ванні з талим льодом температура t 0 (0 ° C);
Потім ми визначаємо положення поршня на лінійці і визначається об’єм V 0 зайняте повітрям при температурі 0 ° С і під атмосферним тиском.
Потім температуру ванни підвищують при t 1 і відмічається нове положення поршня. Таким чином ми визначаємо об’єм V, зайнятий повітрям, при температурі t 1, при однаковому атмосферному тиску.
Об'єм повітря при температурі 0 ° C (t 0) становить V 0:
- загальне розширення дорівнює V - V 0;
- розширення на одиницю об'єму становить;
- розширення на одиницю об'єму при підвищенні температури на 1 ° C стає =, це коефіцієнт (альфа) розширення при постійному тиску (t = підвищення температури в ° C). Коефіцієнт розширення також називають "коефіцієнтом об'ємного розширення".
Коефіцієнт однаковий для всіх газів: він становить 1/273. Існує також коефіцієнт ß (бета) для збільшення тиску при постійному обсязі. Цей коефіцієнт тиску має таке ж значення, як коефіцієнт об'ємного розширення, тобто 1/273.
Абсолютний нуль:
Оскільки об'єм газу при 0 ° C, що підтримується при постійному тиску, змінюється на 1/273 при кожній зміні на 1 ° C, якщо газ сильно охолоджується, об'єм повинен зменшитися до нуля, коли ми досягнемо температура - 273 ° C.
Температура - 273 ° C - це дійсно найнижча межа, яку ви можете собі уявити, до якої ви навряд чи можете наблизитися. Температуру - 273 ° С називають абсолютним нулем. Якщо температура t газу задана в градуси за Цельсієм, абсолютна температура Т цього органу визначається додаючи 273.
Одиниця градуса Цельсія Дорівнює одиниця кельвіна: 1 ° C = 1 K. На наступному малюнку показано температурну шкалу в кельвінах і градусах Цельсія.
Шкала температур у Кельвінах та градусах Цельсія:
Це прийнято замінити Т на К і висловити абсолютна температура в кельвінах: K = t + 273.
Необхідно перевести температуру в кельвін, коли потрібно вирішити задачу, де невідомим є тиск або об’єм.
Зв'язок між тиском і температурою газу підтримується при постійному обсязі виражається наступним чином: = .
Так само, залежність між обсягом і температурою газу підтримується при постійному тиску наступним чином:
Що дає, подобається загальне рівняння: = = Постійний
"Будь-який тиск на рідину, закриту в закритому посуді, передається повністю у всі точки рідини та на стінки".
Ми це знаємо, на відміну від рідин, гази стисливі. Однак для даного тиску всередині закритого посудини, будь то для рідини чи газу, цей тиск є рівним і повністю діє на всі точки стінок, при цьому сила тиску перпендикулярна стінці.
Як ви можете бачити на наступному малюнку, повітря, що потрапляє в резервуар при даному тиску, передає цей тиск у пневматичну систему, яка вважається герметичною, отже, закритою посудиною. Принцип Паскаля застосовується до всіх точок труб і вузлів пневматичної системи.
Пневматична система:
Застосування передачі тиску:
Як правило, пневматичні системи працюють з ефективним (відносним) тиском 1000 кПа, тобто максимум 10 бар. Загальновідоме навантаження, яке потрібно переміщати, оскільки система будується відповідно до завдання, яке потрібно виконати.
У циліндрі тиск, що чиниться на поверхню поршня, створює силу, яка є результат добутку тиску (p) системи на площу (S) поршень.
Тому ми можемо написати таке відношення: F = p S
Одиниці виміру, що використовуються для застосування цієї формули, наведені нижче в міжнародна система одиниць (СІ):
- Сила (F): в ньютонах (N);
- Тиск (р): у паскалі (Па);
- Поверхня (S): у квадратних метрах (м 2).
Для визначення сили, необхідної для переміщення вантажу, використовують домкрат, ми повинні знати два з трьох параметрів формули.
Проблема
На циліндр подвійної дії подається тиск (p) 8 бар (800 кПа). Вихідний рух штока циліндра контролює переміщення вантажу. Сила (F), необхідна для цієї роботи, становить 6280 Н. Визначте діаметр циліндра. У таблиці нижче показано розвиток, використовуючи співвідношення між одиницями.
Розрахунок діаметра циліндра:
Маса (м) виражається в кілограм (кг) і не залежить від прискорення сили тяжіння.
Навпаки, вага (P) або сила (F) висловлюється в Ньютоні (N).
Сила тяжіння, званий вага визначається співвідношенням:
= P: маса тіла (N).
м: маса тіла (кг).
= g: прискорення сили тяжіння (м/с 2).
Дебет:
У пневматиці повітря, як правило, надходить із резервуара під тиском або безпосередньо з компресора. Це повітря циркулює в протоках після того, як його тиск підтримується постійним, пропускаючи його регулятором тиску .
Виробники пневматичних компонентів надають графіки, що дозволяють визначити потік повітря системи відповідно до діаметра труб та робочого тиску.
Коротко про закони про гази:
- Атмосферний тиск здійснюється з усіх боків тіла, в тому числі всередині.
- Атмосферний тиск на рівні моря становить приблизно 100 кПа або 1 бар.
- Абсолютний тиск - тиск, зчитаний на манометрі (ефективний або відносний тиск) плюс атмосферний тиск.
- Uнегативний ефективний тиск відповідає вакуумному тиску.
- При постійній температурі об’єм, який займає дана маса газу, змінюється в зворотному напрямку тиску, який вона чинить.
- У формулі p 1 V 1 = p 2 V 2 , використовуваний тиск - це абсолютний тиск.
- Розширення та скорочення гази обумовлені відповідно підвищенням і зниженням температури.
- Абсолютний нуль має значення - 273 ° C і його символом є К, для кельвіна.
- Тиск, що чиниться на рідину, закриту в закритому посуді, становить передається повністю у всіх точках рідини та стінок.
- Теоретична сила (F) розроблений домкратом залежить від тиск р (манометричний) і поверхня (S) з поршень (F = p S).
- Діаметр воздуховода і тиск робочий тиск безпосередньо впливає на потік повітря в цьому каналі.
Тепер ви знаєте основні закони, що регулюють поведінку газів. Дослідження стосується використання повітря.
Ви вже оцінили цей курс.
Відкрийте для себе інші курси, які пропонує Maxicours !