Газ — агрегатное состояние химического вещества, которое характеризуется крайне слабыми связями между частицами и их большой подвижностью. Газы обладают разными особенностями, одно из которых — тепловое расширение вещества при статическом давлении.
Основные агрегатные состояния
Газ — одно из агрегатных состояний химических веществ, подразумевающее наименьшую связь между частицами. В зависимости от тепловой энергии вещества, молекулы могут быть неподвижными (твердое тело), свободно скользить относительно друг друга (жидкость) или хаотично разлетаться в пространстве (газ). Происхождение термина «газ» объясняется как раз тем, что исследователь диоксида углерода увидел в его структуре «хаос древних». Существует и четвертое состояние вещества — плазма, которое представляет собой ионизированный газ. В природе плазма встречается в виде молнии, огня или северного сияния.
Свойства газа
Наиболее интересным свойством газа считается его способность сжиматься или занимать весь предоставленный объем. Это свойство объясняется тем, что расстояние между молекулярными частицами вещества слишком большое, порой в десятки раз больше размера самих молекул. При сжатии веществ расстояние между частицами уменьшается, и когда молекулы начинают скользить относительно друг друга, газ переходит в жидкое состояние. Исходя из этого свойства газообразные вещества не имеют собственного объема и всегда принимают форму резервуара, в котором они содержатся. На планете Земля газ удерживается гравитацией и при этом не формирует никакой поверхности. Благодаря способности сжиматься и расширяться, газы характеризуются и динамической плотностью, величина которой зависит от давления. Исследование этих характеристик позволило сформировать основные закономерности, которым подчиняются вещества в газообразном состоянии.
Газовые законы
Любое газообразное вещество характеризуется тремя параметрами: объем V, давление P и температура T. Закон Бойля-Мариотта утверждает, что при постоянной температуре произведение объема и давления газа постоянно. Математически утверждение записывается как:
P×V = const,
а по смыслу означает, что при статической температуре изменение объема газа влечет за собой изменение давления и наоборот. Физические процессы, протекающие при неизменной температуре, носят название изотермических.
Закон Шарля гласит, что при постоянном объеме отношение давления газа к его температуре не изменяется:
P/T = const
Процессы с сохранением объемов носят название изохорических, а динамика одной величины влечет за собой изменение другой.
Последняя закономерность характеризует изобарические процессы — реакции при статическом давлении. Закон Гей-Люссака утверждает, что в изобарических процессах отношение объема газа к его температуре постоянно:
V/T = const
Именно последняя закономерность и лежит в основе нашего калькулятора.
Неоднозначность названия
Прежде всего следует уточнить, что в англоязычной и русскоязычной традициях газовые законы известны под различными именами. Так, в русскоязычной литературе закон об изотермических процессах носит имя Гей-Люссака. В англоязычной он может называться законом объемов или Charles’s law, что на русский язык можно перевести как закон Шарля или закон Чарльза. Именно поэтому наш калькулятор носит название уравнения газа по закону Чарльза.
Следствие из закона Чарльза
Итак, основное следствие из закона об изобарических процессах записывается следующим образом:
V1/T1 = V2/T2,
где V1 и T1 — начальный объем газообразного вещества и его температура, V2 и T2 — конечные объем и температура.
Это простая пропорция, которая связывает начальные и конечные характеристики при постоянном давлении. Важно учитывать, что температура газа указывается в кельвинах, а не градусах Цельсия. Напомним, что для перевода градусов Цельсия в кельвины используется упрощенная формула:
T= t + T0,
где t — температура в градусах Цельсия, а T0 — температура абсолютного нуля, равная -273 градуса.
Абсолютный нуль или T = 0 K — это температурная точка, в которой молекулы любого химического вещества перестают двигаться. Для газообразных веществ это означает, что при температуре -273 градуса он не имеет никакого объема. Однако в рамках существующей науки точка неподвижности молекул на практике недостижима.
Рассмотрим пару примеров
Пример первый
Определенная масса газа занимает объем V1 = 100 л при температуре T1 = 300 К. Какова будет температура газа T2 при его сжимании до объема V2 = 75 л? Используем пропорцию закона Чарльза и найдем неизвестную температуру:
100/300 = 75/T2
T2 = (75×300)/100
T2 = 225
Следовательно, температура сжатого газа составляет 225 К или -48 градусов Цельсия.
Пример второй
Определенное количество газа занимает объем 15 л при температуре –10 градусов Цельсия. Как изменится объем газа при повышении температуры до +50 градусов? Для начала переведем температуры в кельвины и получим T1 = 263 K и T2 = 323 K. Теперь составим простую пропорцию и определим новый объем газа:
15/263 = V2/323
V2 = (15×323)/263
V2 = 18,42
В результате получаем, что объем газа увеличился и достиг 18,42 л.
Наша программа позволяет вычислить температуру или объем газообразного вещества, если заданы три величины. Для этого требуется ввести значения в соответствующие ячейки и кликнуть кнопку «Рассчитать», после чего в пустой ячейке отобразится искомое значение. Напоминаем, что указывать температуру следует в кельвинах для корректного ввода отрицательных значений.
Заключение
Изучение изобарических процессов — неотъемлемая часть школьного курса физики и химии. Наш калькулятор пригодится школьникам и студентам начальных курсов для проверки задач на тему «Газовые законы».
