Закон за идеалния газ (PV = nRT)

В това видео ще говорим за идеалните газове и как можем да опишем какво става с тях. Първият въпрос, който може би изниква пред теб, е какво е идеален газ. Това е теоретична постановка, която ни помага да опишем много от това, което се случва в света на газовете, или поне близо до това, което се случва в света на газовете. В един идеален газ приемаме, че отделните частици на газа не си взаимодействат. Частиците не си взаимодействат. Очевидно знаем, че това по принцип не е вярно. По принцип има поне леки междумолекулни сили, докато те се доближават или преминават една покрай друга, или се сблъскват една с друга. Но за целта на това, което ще учим в това видео, ще приемем, че те не си взаимодействат. Също ще приемем, че частиците не заемат обем. Не заемат обем. Знаем, че това не е съвсем вярно, че отделните частици, разбира се, заемат обем. Но това е разумно предположение, понеже, общо казано, това може да е много, много безкрайно малка част от общия обем на пространството, в което се носят. Това са две предположения, които правим, когато говорим за идеалните газове. Затова използваме думата "идеални". В бъдещи видеа ще говорим за неидеално, реално поведение. Но това ни позволява да направим опростявания, които приблизително оценяват голяма част от света. Нека помислим как можем да опишем идеалните газове. Можем да помислим за обема на съда, в който се намират. Можем да си представим налягането, което биха упражнили върху вътрешността на съда. Така аз го визуализирам. Това налягане ще е едно и също във всяка точка вътре в съда. Можем да помислим за температурата. Искаме да го направим в абсолютен мащаб, така че по принцип измерваме температурата в келвини. После също можем да помислим колко от този газ имаме. Можем да измерим това в молове. Това означава малко n. Нека помислим как тези четири неща могат да се свържат едно с друго. Нека винаги поставяме обема вляво. Как се свързва обемът с налягането? Аз си представям, ако имаме един такъв балон и имам някакъв газ в балона, ако опитам да намаля обема, като направя този балон по-малък, без да изпускам газ навън или без да променям температурата, не променям Т и n, какво ще се случи с налягането? Този газ на квадратен инч или на единица площ ще упражнява все повече сила. Става все по-трудно да притисна този балон. Докато обемът намалява, налягането се увеличава. Или, подобно, ако направя съда по-голям, отново, без да променям температурата или броя молове, които имам в съда, това ще намали налягането. Изглежда обемът и налягането се движат обратнопропорционално един спрямо друг. Бихме казали, че обемът е пропорционален на едно върху налягането, реципрочното на налягането. Или можеш да кажеш, че налягането е пропорционално на реципрочното на обема. Това просто означава пропорционално на. Което означава, че обемът ще е равен на някаква константа, делена на налягането, в този случай. Как обемът е свързан с температурата? Ако започна с примера с балона, и ако направиш този пример, ако не ми вярваш, ако вземеш балон и го надуеш при стайна температура, после го сложиш в хладилника, можеш да видиш какво ще се случи. Той ще се свие. Може да се запиташ защо се свива. Можеш да си представиш, че частиците вътре в балона в този момент се движат по-малко. Имат по-ниски отделни кинетични енергии. За да могат да приложат същото налягане, за да неутрализират атмосферното налягане отвън, ще имаш по-малък обем. Можеш да кажеш, че обемът е пропорционален на температурата. Какво е отношението на обема спрямо броя молове? Помисли за това. Ако надуеш балон въздух, поставяш повече молове в този балон. Ако държим налягането и температурата постоянни, увеличаваме обема. Тоест обемът е пропорционален на броя молове. Ако извадиш въздух, намаляваш обема, ако държиш налягането и температурата постоянни. Можем да използваме тези три зависимости и те са познати като – първото е закон на Бойл, това е закон на Шарл, а това е закон на Авогадро. Но можеш да ги комбинираш, за да осъзнаеш, че обемът ще е пропорционален на броя молове по температурата, делено на налягането. Друг начин да кажеш това, е, че обемът ще е равен на някаква константа, за което става въпрос при пропорционалността, ще е равен на някаква константа, да я наречем R, по всичко това, RnT върху Р. Върху Р. Или друг начин да помислиш за това е – можем да умножим двете страни по Р. Какво ще получиш? Ще получим Р*V – това може да изглежда донякъде познато – е равно на – и ще променя реда тук – n, което е броят молове, по някаква константа R, по Т, температурата ни, измерена в келвини. Тази връзка тук, PV е равно на nRT, е едно от най-полезните неща в химията. Познато е като закона за идеалния газ. В бъдещи видеа ще го прилагаме отново и отново, за да видим колко е полезен. Може би се питаш каква е тази константа. Тя е позната като константата на идеалния газ. Можеш да я потърсиш, но стойността ѝ зависи от това какви единици използваш за налягането, за обема и за температурата. Ще видим това в бъдещи видеа.