Μάθηση του νόμου του Boyle: Ήχοι, τύποι, παραδείγματα ερωτήσεων και η συζήτησή τους
Μελετώντας το νόμο του Boyle - Όπως είναι κατανοητό ότι το αέριο είναικαταλαμβάνουν χώρο, κινούνται τυχαία, μπορούν να συμπιεστούν, να έχουν πίεση και να διαχέονται εύκολα. Επομένως, τα αέρια έχουν μακροσκοπικές ποσότητες όπως ο όγκος, η πίεση και η θερμοκρασία που μπορούν να μετρηθούν στο εργαστήριο.
Επιπλέον, τα αέρια έχουν επίσης μικροσκοπικές ποσότητεςόπως μοριακή ταχύτητα, μοριακή ορμή και μοριακή κινητική ενέργεια. Σε αντίθεση με τις μακροσκοπικές ποσότητες, οι μικροσκοπικές ποσότητες δεν μπορούν να μετρηθούν στο εργαστήριο αλλά μπορούν να υπολογιστούν. Αυτές οι ποσότητες μπορούν να σχετίζονται με τη μάζα και την πυκνότητα του αερίου.
Αυτή η σχέση είναι η μελέτη των επιστημόνωνόπως ο Robert Boyle, ο Jacques Charles και ο Joseph Gay-Lussac. Έγραψαν νόμους για το φυσικό αέριο, οι οποίοι θα ονομαζόταν μετά από αυτούς ως μορφή εκτίμησης.
Ακούγεται ο νόμος του Boyle
Έχει αναφερθεί προηγουμένως ότι οι επιστήμονεςενδιαφέρεται πολύ για τη σχέση μεταξύ μακροσκοπικών και μικροσκοπικών ποσοτήτων που καθορίζουν την κατάσταση ενός αερίου, τόσο σε ανοιχτό όσο και σε κλειστό χώρο. Εάν το αέριο που παρατηρείται βρίσκεται σε κλειστό δωμάτιο, τότε οι ποσότητες που καθορίζουν την κατάσταση του αερίου είναι πίεση (p), όγκος (V) και θερμοκρασία του αερίου (T). Αυτή η σχέση μελετάται σε βάθος από Ρόμπερτ Μπόιλ . Μέσα από μια σειρά πειραμάτων ή πειραμάτων, ο Μπόιλ τελικά διατύπωσε Ο νόμος του Μπόιλ το 1662.
Στα πειράματά του όπως φαίνεται στην παραπάνω εικόνα, ο Boyle χρησιμοποίησε ένα σκάφος σε σχήμα J. Το πείραμα ξεκίνησε με τις συνθήκες που υποδεικνύονται εικόνα (α) δηλαδή η πίεση αερίου είναι 1 atm ή ίση με 760 mmHg και ο όγκος είναι V (το ύψος του υδραργύρου στον βραχίονα του πρώτου κλειστού δοχείου και ο βραχίονας του δεύτερου ανοικτού δοχείου είναι ο ίδιος).
Ενεργοποίηση εικόνα (β), μερικός υδράργυρος προστίθεται από το στόμαανοικτό δοχείο για να δώσει διαφορά ύψους 760 mmHg μεταξύ των δύο βραχιόνων του δοχείου. Σε αυτή την κατάσταση, μια πίεση αερίου 1520 mmHg που λαμβάνεται από μια πίεση αερίου 760 mmHg συν μια ατμοσφαιρική πίεση 760 mmHg, ενώ ο όγκος είναι V / 2.
Ενεργοποίηση εικόνα (γ), αν η αντίθλιψη προστεθεί κατά 760 mmHgμέσω του ανοικτού στομίου του δοχείου, υπάρχει αύξηση της πίεσης στο αέριο έτσι ώστε η συνολική πίεση αερίου να είναι 2280 mmHg και ο όγκος του αερίου να μειώνεται στο V / 3.
Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι όταν η θερμοκρασία του αερίουσε ένα κλειστό δοχείο διατηρείται σταθερή, η πίεση αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογη προς τον όγκο του. Με άλλα λόγια, αν αυξηθεί η πίεση, η ένταση θα μειωθεί. Αντίθετα, αν αυξηθεί ο όγκος του αερίου, η πίεση του αερίου θα μειωθεί.
Έτσι ο νόμος του Boyle είναι ο ακόλουθος.
"Σε μια σταθερή θερμοκρασία, ο όγκος του αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογος με την πίεση του."
Ο νόμος του Boyle ισχύει για σχεδόν όλα τα αέρια μεχαμηλή πυκνότητα. Ωστόσο, πρέπει επίσης να γίνει κατανοητό ότι ο νόμος του Boyle ισχύει μόνο υπό ορισμένες προϋποθέσεις, όπως σταθερή θερμοκρασία αερίου, αέριο σε κλειστό χώρο, καμία χημική αντίδραση και καμία αλλαγή στο σχήμα του αερίου. Μερικά παραδείγματα εφαρμογής του νόμου της Boyle στην καθημερινή ζωή περιλαμβάνουν μανόμετρα, σωλήνες σιφωνίων, πιπέτες και αντλίες νερού.
Φόρμουλα νόμου του Boyle
Από διάφορα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν, ο Boyle ανέπτυξε μια εξίσωση που απεικονίζει τη σχέση μεταξύ πίεσης αερίου και όγκου σε κλειστό χώρο και σταθερή θερμοκρασία.
Αυτή η εξίσωση βασίζεται στο Ο νόμος του Μπόιλ που δηλώνει ότι σε μια σταθερή θερμοκρασία, ο όγκος του αερίουαντιστρόφως ανάλογη προς την πίεση. Με άλλα λόγια, σε ένα ιδανικό αέριο, το προϊόν της πίεσης του αερίου με τον όγκο ενός αερίου σε κλειστό χώρο είναι σταθερό, με την προϋπόθεση ότι η θερμοκρασία του αερίου δεν αλλάζει.
Από την παραπάνω εξίσωση μπορούμε να πούμε ότικατά τη διάρκεια της διαδικασίας, η ίδια ποσότητα ενέργειας που δίνεται στο σύστημα θα παραμείνει όσο η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή ή σταθερή. Εξαιτίας αυτού, θεωρητικά, αξίας k θα παραμείνει σταθερή.
Εάν η πίεση του αερίου αλλάξει από την πρώτη πίεση αερίου (p1) στη δεύτερη πίεση αερίου (p2) σε σταθερή θερμοκρασία, θα ληφθεί η ακόλουθη εξίσωση.
Εάν απεικονιστεί σε γραφική μορφή, θα παράγει μια καμπύλη που ονομάζεται ισοθερμική καμπύλη, η οποία είναι μια καμπύλη με την ίδια θερμοκρασία.
Το γράφημα δείχνει ότι όσο μικρότερη είναι η πίεση του αερίου, τόσο μεγαλύτερος είναι ο όγκος, αλλά το προϊόν της πίεσης και του όγκου του αερίου παραμένει σταθερό.
Παραδείγματα Νομικών Ερωτήσεων και Απαντήσεων του Boyle
Τα παρακάτω είναι μερικά παραδείγματα ερωτήσεων σχετικά με Νόμος του Boyle συνοδεύεται από συζήτηση.
1. Παράδειγμα ερωτήσεων 1
Ένα κλειστό δωμάτιο με όγκο 0,2 m³ γεμάτο με αέριο με πίεση 60,000 Pa. Υπολογίστε την ποσότητα αερίου εάν η πίεση γίνει στα 80.000 Pa.
Συζήτηση:
Γνωστά:
ρ1 = 60.000 Ρα
V1 = 0,2 m³
Ρ2 = 80.000 Ρα
Ερωτηθείς: V2 = ...;
Απάντηση: p1 V1 = p2 V2
V2 = p1 V1 ÷ p2
V2 = 60.000 χ 0.2 ÷ 80.000
V2 = 1,2 ÷ 80,000
V2 = 0,15 m³
Έτσι, ο όγκος του φυσικού αερίου είναι τώρα 0,15 m³.
2. Παράδειγμα ερωτήσεων 2 - ΟΗΕ 2011/2012
Ορισμένα ιδανικά αέρια υφίστανται μια ισοθερμική διαδικασία, οπότε η πίεση γίνεται 2 φορές την αρχική πίεση, τότε ο όγκος γίνεται ...
Α. 4 φορές αρχικά
Β. 2 φορές αρχικά
Γ. 0,5 φορές αρχικά
Δ. 0,25 φορές το πρωτότυπο
E. Σταθερή
Απάντηση: Γ
Συζήτηση:
Γνωστά:
- Αρχική πίεση αερίου, p1 = p
- Τελική πίεση αερίου, P2 = 2p
- Ισοθερμική διαδικασία, Τ1 = Τ2 = Τ3
Ερωτηθείς: Ο τελικός όγκος αερίου
Απάντηση: Ο τελικός όγκος αερίου μπορεί να ληφθεί από τον νόμο Boyle, ο οποίος έχει ως εξής.
ρ1 V1 = p2V2
p₁ V₁ = 2p₁ V₂
V2 = p1 V1 ÷ 2p1
V2 = V1 ÷ 2
V₂ = ½ V₁
Έτσι, ο τελικός όγκος αερίου είναι 0,5 φορές αρχική ποσότητα αερίου.
3. Παραδείγματα 3 - PPI 1979
Στον νόμο του Boyle, p.V = k, k έχει διαστάσεις ...
A. Ισχύς
Β. Επιχειρήσεις
Γ. Γραμμική ορμή
Δ. Θερμοκρασία
Ε. Ανοιχτή σταθερά
Απάντηση: Β
Συζήτηση:
Γνωστή: V.p = k
Ερωτηθείς: k = ...;
Απάντηση:
p.V = k
k = p.V = (m³)
k = Nm = Joule
Τα Joules είναι επιχειρηματικές μονάδες. Έτσι k έχει διαστάσεις προσπάθεια.
4. Παράδειγμα ερωτημάτων 4
Δείτε την παρακάτω εικόνα!
Βάσει των νομικών πειραμάτων του Boyle, ελήφθησαν τα ακόλουθα δεδομένα: όταν h = 50 mm, V = 18 cm³ και όταν h = 150 mm, V = 16 cm3. Υπολογίστε την ποσότητα εξωτερικής πίεσης αέρα (mmHg).
Συζήτηση:
Γνωστά:
h1 = 50 mm
V1 = 18 cm3
h2 = 150 mm
V2 = 16 cm3
Ερωτηθείς: Εξωτερική πίεση αέρα
Απάντηση:
Για να απαντήσουμε σε αυτό το πρόβλημα, χρησιμοποιούμε την έννοια των σχετικών σκαφών. Επομένως, η πίεση αερίου στο V έχει ως εξής.
Κράτος 1:
p1 = (ρο + ηι) mmHg
p1 = (ρο + 50) mmHg ... (α)
Κράτος 2:
ρ2 = (p₀ + h₂) mmHg
p2 = (ρο + 150) mmHg ... (β)
Σύμφωνα με το νόμο του Boyle,
ρ1 V1 = p2V2
p2 = V1 / V2 × ρ1
p2 = 18/16 × p1 ... (γ)
Στη συνέχεια, αντικαταστήστε την εξίσωση (c) με την εξίσωση (b), για να πάρετε:
ρ2 = (ρ0 + 150) mmHg
18/16 χ ρ1 = ρο + 150
p1 = 16/18 (ρο + 150) ... (δ)
Το επόμενο βήμα είναι να αντικαταστήσουμε την εξίσωση (d) με την εξίσωση (a), για να πάρουμε:
p1 = (ρ0 + 50) mmHg
16/18 (ρο + 150) = ρο + 50
16 (ρο + 150) = 18 (ρο + 50)
16ο + 2400 = 18ο0 + 900
2400 - 900 = 18ο - 16ο
1500 = 2 ρο
pο = 1500 ÷ 2
ρο = 750
Έτσι, η πίεση του εξωτερικού αέρα είναι 750 mmHg ή 75 cmHg.
5. Παράδειγμα ερωτήσεων 5
Μεταξύ των ακόλουθων πράξεων, που είναι όχι είναι μια προϋπόθεση για την εμφάνιση του νόμου του Boyle είναι ...
Α. Σταθερή θερμοκρασία
Β. Σταθερός όγκος και πίεση
Γ. Δεν παρατηρείται χημική αντίδραση
Δ. Αέριο σε περιορισμένο χώρο
Ε. Το σχήμα του αερίου δεν αλλάζει
Απάντηση: Β
Συζήτηση:
Ο νόμος του Boyle ισχύει μόνο κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες όπως η θερμοκρασία σταθερού αερίου, το αέριο βρίσκεται σε κλειστό χώρο, δεν υπάρχει χημική αντίδραση και δεν υπάρχει αλλαγή στο σχήμα του αερίου.
Αυτό είναι το τέλος της συζήτησής μας για το νόμο του Boyle σε σχέση με την καλή και νόμιμη φόρμουλα του Boyle συνοδευόμενη από παραδείγματα ερωτήσεων και συζητήσεων.
