Kas ir R gāzes konstante?

Termodinamikas pamatkonstante, gāzes konstante (apzīmēta kā R), tiek izmantota, lai saistītu gāzu raksturlielumus savā starpā. Ideālās gāzes likums, kas nosaka

,kā ideālas gāzes uzvedas, ir atsauce uz to. Saskaņā ar ideālās gāzes likumu sakarība starp ideālās gāzes spiedienu, tilpumu un temperatūru ir proporcionāla klātesošo gāzes molu skaitam (n), un R kalpo kā proporcionalitātes konstante.

Atkarībā no izvēlētās mērīšanas metodes R tiek izteikts dažādās vienībās. J/(mol K) un L/(mol K) ir divas populārākās vienības. R apzīmē gāzes konstanti pirmajā gadījumā džoulos uz molu-kelvinu un otrajā gadījumā litros-atmosfērās uz molu-kelvinu.

Lai noteiktu R vērtību, var izmantot citas pamatkonstantes, piemēram, Avogadro skaitli (Na) un Bolcmaņa konstanti (k). Ne-SI izteiksmē R ir aptuveni ekvivalents 0,0821 Latm/(molK), bet SI vienībās. , tas ir aptuveni līdzvērtīgs 8,314 J/(molK).

Kad lietot R = 8,314 J/(mol�K)

a. Enerģijas vienības

R = 8,314 J/(molK) jāizmanto, ja tiek izmantotas enerģijas vienības, ko mēra džoulos, piemēram, lai aprēķinātu enerģijas izmaiņas reakcijā vai procesa laikā pārraidīto siltumu. Šī vērtība nodrošina konsekvenci enerģijas aprēķinos.

b. Molārie daudzumi

Apspriežot molāros daudzumus, piemēram, gāzes molu skaitu vai molāro masu, tiek izmantots R = 8,314 J/(molK). Ja ar šo skaitli tiek aprēķināts ideālās gāzes likums vai citi termodinamiskie vienādojumi, kas ietver molus, vienības tiks pareizi atceltas.

c. Temperatūras mērvienības

R = 8,314 J/(molK) jāizmanto, ja kā temperatūras mērvienību izmanto Kelvinu (K). Tā kā Kelvina skala ir absolūta skala, kurā 0 neatspoguļo molekulāro kustību, tā ir termodinamikā iecienītākā temperatūras skala. R = 0,0821 L atm/(mol K): šī attiecība tiek izmantota, pārveidojot starp SI un ne-SI vienībām, īpaši, salīdzinot spiediena un tilpuma mērījumus. Šī R vienība ir noteikta litros-atmosfēras uz molu-kelvinu.

Kad lietot R = 0,0821 L�atm/(mol�K):

a. Tilpuma vienības

Strādājot ar tilpuma vienībām litros (L), piemēram, gāzes blīvuma aprēķināšanai vai gāzes tilpuma mērīšanai, ir piemērots R = 0,0821 Latm/(molK). Ja kā tilpuma mērvienību izmanto litrus, šī vērtība garantē konsekvenci.

b. Spiediena mērvienības

Izmantojot atmosfēras (atm) kā spiediena mērvienību, R = 0,0821 L/(molK). Šo vērtību bieži izmanto inženierzinātnēs un rūpniecībā, kur atm ir izvēlētā spiediena mērvienība.

c. Ideāls gāzes likums mērvienībās, kas nav SI

Ir lietderīgi izmantot R = 0,0821 Latm/(molK), lai ideālās gāzes likuma (PV = nRT) vienādojums būtu konsekvents, izmantojot spiediena (atm) un tilpuma (L) mērvienības, kas nav SI.

R vērtības izvēli ietekmē vienības, kas tika izmantotas aprēķina vai problēmu risināšanas procesā, ir svarīgi to atcerēties. Lai precīzi un jēgpilni apvienotu atšķirīgus vienādojumus vai skaitļus, ir svarīgi pārliecināties, ka vienības ir konsekventas.

Izmantojot ideālās gāzes likumu, ir iespējams savienot gāzu īpašības ar gāzes konstanti R. Izmantotās mērvienības ietekmē R vērtību. Runājot par enerģijas vienībām, molārajiem daudzumiem un Kelvina temperatūru, vērtība 8,314 J/(molK) izmanto SI vienībās. Mērvienībās, kas nav SI, īpaši, ja runa ir par litriem, atmosfēru un mol K, tiek izmantota vērtība 0,0821 L atm/mol K.

R gāzes konstantes pielietojumi

Daži no galvenajiem gāzes konstantes lietojumiem.

Ideāls gāzes likums

Ideālās gāzes likums, kas nosaka ideālo gāzu uzvedību, nav pilnīgs bez gāzes konstantes. PV = nRT ir ideālās gāzes likuma vienādojums, kur P ir spiediens, V ir tilpums, n ir gāzes moli, T ir temperatūra un R ir gāzes konstante.

Daudzās zinātnes un inženierzinātņu nozarēs šis vienādojums tiek bieži izmantots, jo tas ļauj saistīt gāzu pamatīpašības, piemēram, spiedienu, tilpumu, temperatūru un molu skaitu.

Gāzes stehiometrija

Gāzes stehiometrija, kas pārbauda kvantitatīvās korelācijas starp reaģentiem un produktiem ķīmiskajās reakcijās, lielā mērā ir atkarīga no gāzes konstantes.

Ir viegli noskaidrot, cik reaģentu vai produktu ir iesaistīti reakcijā, izmantojot ideālās gāzes likumu un ideju par molāro tilpumu, kas ir tilpums, ko aizņem viens mols gāzes noteiktā temperatūrā un spiedienā. Tas ir īpaši noderīgi tādās jomās kā ķīmiskā inženierija un ražošana, kur ir būtiska precīza reaģentu daudzuma kontrole.

Termodinamika

Gāzes konstante termodinamikā parādās vairākos vienādojumos un attiecībās. Kā parāda vienādojums U = nCvT, kur Cv ir molārā īpatnējā siltumietilpība nemainīgā tilpumā, to izmanto, piemēram, lai aprēķinātu sistēmas iekšējās enerģijas (U) izmaiņas.

Gāzu entropijas (S) un entalpijas (H) izmaiņas arī aprēķina, izmantojot gāzes konstanti. Enerģijas pārneses izpētē un sistēmas parametru izvēlē šīm termodinamiskajām koncepcijām ir izšķiroša nozīme.

Gāzes likumi

Vairāku gāzes likumu galvenā sastāvdaļa, kas izskaidro savienojumus starp dažādām gāzes īpašībām, ir gāzes konstante. Gāzes likumi ietver Boila likumu (PV = konstante), Čārlza likumu (V/T = konstante) un Avogadro likumu (V / n = konstante). Šie principi kopā ar ideālo gāzes likumu ļauj zinātniekiem un inženieriem prognozēt rezultātus un risināt ar gāzi saistītas problēmas dažādos apstākļos.

Īstas gāzes

Lai gan ideālās gāzes likums paredz, ka gāzes darbojas optimāli, reālās gāzes ne vienmēr tā darbojas, it īpaši augstā spiedienā un zemā temperatūrā. Van der Vālsa vienādojumā, ideālās gāzes likuma variācijā, kurā ņemti vērā starpmolekulārie spēki un gāzes molekulu ierobežotais izmērs, tiek izmantota gāzes konstante.

Precīzāku faktisko gāzes uzvedības ilustrāciju nodrošina Van der Vālsa vienādojums. Gāzes konstante ir iekļauta arī citos stāvokļu vienādojumos, piemēram, Rēdliha-Kvonga vienādojumā un Penga-Robinsona vienādojumā, lai raksturotu neideālu gāzes uzvedību dažādos apstākļos.

Gāzu kinētiskā teorija

Saskaņā ar gāzu kinētisko teoriju gāzes makroskopiskās īpašības ir saistītas ar to veidojošo molekulu kustību un mijiedarbību. Vairākos vienādojumos, kas iegūti no kinētiskās teorijas, piemēram, vienādojumā par gāzes molekulu vidējo kvadrātisko ātrumu (vrms = (3RT/M)), kur M ir gāzes molārā masa, tiek izmantota gāzes konstante.

Lai izprastu tādus jēdzienus kā difūzija, izsvīdums un siltuma vadīšana, ir jāsaprot šie vienādojumi, kas piedāvā molekulārā līmeņa ieskatu gāzu uzvedībā.

Enerģijas sistēmas

Gan enerģētikas sistēmu jomā, gan termodinamiskajā analīzē tiek izmantota gāzes konstante. To izmanto vienādojumos, kas novērtē dažādu enerģijas pārveidošanas sistēmu, tostarp spēkstaciju, iekšdedzes dzinēju un saldēšanas sistēmu, efektivitāti un funkcionalitāti. Inženieri var novērtēt un uzlabot šādu sistēmu energoefektivitāti, šajos aprēķinos iekļaujot gāzes konstanti.

Ideāli risinājumi

Salman Khan vecums

Gāzes konstantei ir nozīme ideālu risinājumu izpētē, kas ir maisījumi, kuru ideāla uzvedība ir līdzīga ideālām gāzēm. Ideālu risinājumu kontekstā gāzes konstante tiek izmantota tādos vienādojumos kā Raula likums un Henrija likums, kas apraksta gaistošo izšķīdušo vielu uzvedību šķīdinātājos.

Šie likumi tiek pielietoti tādās jomās kā ķīmijas inženierija, farmācija un vides zinātne, kur izšķīdušo vielu uzvedība šķīdumos ir būtiska, lai izprastu to īpašības un mijiedarbību.

Gāzu hromatogrāfija

Gaistošo vielu maisījumu atdalīšana un analīze tiek veikta, izmantojot plaši izmantoto analītisko metodi, ko sauc par gāzu hromatogrāfiju. Aprēķinos, kas saistīti ar gāzu hromatogrāfiju, gāzes konstanti izmanto, lai noteiktu saikni starp temperatūru un aiztures laiku (laiku, ko viela pavada hromatogrāfijas kolonnā). Kombinācijā esošās sastāvdaļas var identificēt un kvantitatīvi noteikt, pamatojoties uz to saglabāšanas ilgumu, zinot šīs attiecības.

Atmosfēras zinātne

Lai izprastu Zemes atmosfēras uzvedību un uzbūvi, atmosfēras zinātne ir atkarīga no gāzes konstantes. Vienādojumos, kas izskaidro gaisa īpašības, piemēram, ideālās gāzes likumu, to izmanto, lai aprēķinātu tādus elementus kā gaisa blīvums, spiediens un temperatūra.

Lai izprastu atmosfēras procesus, piemēram, laika apstākļus, klimata pārmaiņas un gaisa piesārņojuma izkliedi, gāzes konstante tiek izmantota arī simulācijās un modeļos.

Materiālzinātne

Fāzu pāreju un materiālu īpašību izpēte izmanto gāzes konstanti materiālu zinātnē un inženierzinātnēs. Clausius-Clapeyron vienādojumā, kas savieno vielas tvaika spiedienu ar tās temperatūru fāzes nobīdes, piemēram, iztvaikošanas vai kondensācijas laikā, izmanto šo koncepciju. Pētnieki var izpētīt un prognozēt, kā materiāli izturēsies dažādos scenārijos, pievienojot gāzes konstanti.

Instrumentu kalibrēšana

Izmantojot gāzes konstanti, tiek kalibrēti dažādi zinātniskie instrumenti. Piemēram, gāzes konstante tiek izmantota, lai izmērītās vērtības pārvērstu atbilstošās mērvienībās gāzes sensoros un analizatoros. Tas piedāvā pamata konversijas koeficientu, kas saista instrumentu uztvertos elektriskos signālus un gāzu fizikālās īpašības, piemēram, spiedienu un temperatūru, ar šo signālu īpašībām.

Izglītības lietojumprogrammas

Dabaszinātņu un inženierzinātņu stundās viena no pamatidejām, ko māca, ir gāzes konstante. Termodinamika, gāzes likumi un citi saistītie jēdzieni var tikt saprasti, izmantojot to kā pamatu.

Izpratne par gāzes konstantes lietojumiem ļaus studentiem izprast un atrisināt jautājumus, kas saistīti ar gāzēm un to uzvedību, kas ir izšķiroši tādās disciplīnās kā ķīmija, fizika un inženierija.