نکاتی در مورد گازها
نکاتی در مورد گازها
گازها در شرایط متفاوت، شبیه به هم رفتار می‌کنند.
همان طور که می دانید فشار گاز را معمولا برحسب میلی متر جیوه یا اتمسفر بیان می کنند. فشار 740mmHg یعنی فشاری که ستونی از جیوه مایع به ارتفاع 740mm اعمال می کند. فشار متوسط جو در سطح دریا برابر با 1atm یا 760mmHg است. بنابراین فشار 740mmHg یا 1atm را فشار استاندارد می نامند.
صفر مطلق
فرض کنید 1L از گازی مانند هلیم در دمای صفر درجه سانتی گراد و فشار ثابت 750mmHg داریم. اگر این گاز را با توجه به تغییرات حجم در فشار ثابت سرد کنیم و تغییر حجم را گزارش کنیم، می بینیم که به ازای هر درجه کاهش دما، حجم به اندازه 1/273 حجم گاز در دمای صفر درجه سانتی گراد کاهش می یابد. اگر کاهش حجم با همین سرعت پیش برود، در این صورت حجم گاز در دمای 273- درجه سانتی گراد صفر خواهد شد. چون سرد کردن گاز تا کمتر از 273- درجه سانتی گراد باعث می شود که حجم تا زیر صفر کاهش یابد و از نظر منطقی چیزی به عنوان حجم منفی وجود ندارد، می توان نتیجه گرفت که 273- درجه سانتی گراد کمترین دمای ممکن است. از این رو 273- درجه سانتی گراد را صفر مطلق می نامند. (مقدار دقیق صفر مطلق 273/15- درجه سانتی گراد می باشد. ) همچنین نقطه صفر در مقیاس دمای مطلق یا کلوین، صفر مطلق است. بنابراین -273/15=0K درجه سانتی گراد که K مخفف کلوین و واحد دما در مقیاس مطلق می باشد. کلوین هم ارز با درجه سلسیوس است. تنها نقطه صفر در مقیاس دمای سلسیوس و کلوین با یکدیگر تفاوت دارند. برای تبدیل کردن دمای سلسیوس به کلوین عدد 273 را به آن اضافه می کنیم. رابطه زیر:
رطوبت نسبی
به هوایی که غلظت بالایی بخار آب دارد، مرطوب می گویند. بخار آب موجود در یک گاز رطوبت نام دارد. اگر هوا در یک دمابین از بخار آب سیر شود، رطوبت نسبی آن 100% می باشد. (یعنی این هوا حاوی همه بخار آبی است که می تواند داشته باشد.) اگر هوا تنها حاوی نیمی از بخار آبی باشد که می تواند داشته باشد (50% سیر شده)، رطوبت نسبی آن 50% می باشد. بنابراین رطوبت نسبی نسبت بین غلظت بخار آبی که به طور طبیعی وجود دارد به غلظت بخار آبی است که در یک گاز سیر شده از بخار آب وجود دارد. ساده ترین راه برای بیان مقدار رطوبت یک گاز این است که مقدار رطوبت را برحسب فشار بخار آب بیان کنیم. به این ترتیب رطوبت نسبی ببین فشار جزئی بخار آب و فشار بخار تعادلی (سیر شده) در دمای معین است.
مثال:
فشار جزئی بخار آب در هوای یک اتاق در دمای 22 درجه سانتی گراد برابر با 11/6mmHg است. رطوبت نسبی هوای اتاق چقدر می باشد؟
رطوبت نسبی نسبت فشار جزئی بخار آب به فشار بخار تعادلی (سیر شده) در آن دما است. با استفاده از جدول 1 در می یابیم که فشار بخار آب در دمای 22 درجه سانتی گراد برابر با 19/8mmHg است.
فشار بخار
وقتی یک گاز خشک مانند هیدروژن را در یک دمای معین بر روی مقداری آب جمع می کنیم مولکول هایی از آب که بخار شده اند (H2O گازی) با هیدروژن مخلوط می شوند. این بخار شدن تا زمانی که سرعت تبخیر مولکول های آب با سرعت میعان آنها برابر شود، ادامه می یابد. در این حالت می گوییم، گاز هیدروژن از بخار آب سیر شده است. فشار این بخار آب، فشار بخار آب در یک دمای معین نام دارد.
ظرفی که در آن هیدروژن جمع شده، حاوی مخلوط هیدروژن و بخار آب است که هر یک از این گازها (هیدروژن و بخار آب) فشار جزئی خود را اعمال می کنند. فشار کل برابر با مجموع دو فشار جزئی است. بنابراین، وقتی گاز بالای سطح آب جمع می شود، تنها بخشی از فشار کل مربوط به آن گاز و بقیه مربوط به بخار آب است. بنابراین، وقتی از قانون گازها استفاده می کنیم، فشار جزئی بخار آب را باید از فشار کل کم کنیم تا فشار واقعی گاز جمع شده بالای سطح آب به دست آید.
مثال:
حجم یک گاز خشک در دمای 25 درجه سانتی گراد و فشار 750mmHg برابر 600cm3 است. اگر در فشار 746mmHg و دمای 32 درجه سانتی گراد، این گاز بالای سطح آب جمع شود، چه حجمی را اشغال خواهد کرد؟
چون گاز بالای سطح آب جمع شده است فشار بخار آب در دمای 32 درجه سانتی گراد را باید از فشار اتمسفری 746mmHg
کم کنید.
35/4mmHg = فشار بخار آب در دمای 32 درجه سانتی گراد (جدول شماره 1)
746mmHg - 35/4mmHg=710/6mmHg= فشار جدید واقعی
با استفاده از فشار جدید 710/6mmHg به جای فشار 746/6mmHg ، مسئله را می توان حل نمود.
|
|
(mmHg) فشار |
|
(mmHg) فشار |
|
0 |
4/6 |
22 |
19/8 |
|
1 |
4/9 |
30 |
31/5 |
|
2 |
5/3 |
31 |
33/4 |
|
3 |
5/6 |
32 |
35/4 |
|
4 |
6/1 |
33 |
37/4 |
|
5 |
6/5 |
34 |
39/6 |
|
6 |
7/0 |
35 |
41/9 |
|
7 |
7/5 |
36 |
44/2 |
|
8 |
8/0 |
37 |
46/7 |
|
9 |
8/6 |
38 |
49/4 |
|
10 |
9/2 |
39 |
52/1 |
|
11 |
9/8 |
40 |
55/0 |
|
20 |
17/4 |
100 |
760/0 |
مثال:
فشار بخار آب در دمای 121 درجه سانتی گراد برابر 2atm است. مقداری آب (مایع) به درون ظرف در بسته ای که حاوی هوا با فشار 1atm و دمای 121 درجه سانتی گراد است وارد می کنیم و صبر می کنیم تا آب با بخار خود به تعادل برسد. فشار کل در ظرف دربسته چقدر است؟
همان گونه که مقداری آب مایع در ظرف وجود دارد و دما در 121 درجه سانتی گراد ثابت می مامند، فشار جزئی بخار آب که با آب مایع در تعادل است نیز در 2atm ثابت خواهد ماند، این فشار نمی تواند بالاتر یا پایین تر از 2atm برود. اگر حلالیت کم هوا در آب را نادیده بگیریم، فشار جزئی هوا همان 1atm باقی خواهد ماند، پس فشار کل برابر با 3atm خواهد بود.
پخش و برون پخش
اگر گازی را در ظرفی که حاوی گاز دیگری است وارد کنیم، گاز جدید از میان گاز قبلی عبور می کند تا تمام ظرف را به طور یکنواخت پر کند. این فرایند پخش نام دارد. اگر ظرفی را که یک دیواره آن سوراخ کوچکی دارد و سمت دیگر دیواره خلا است از یک گاز پر کنیم، گاز از سوراخ عبور خواهد کرد. این فرایند برون پخشی نام دارد. سرعت این دو فرایند به نوع گاز بستگی دارد. سرعت های پخش (یا برون پخشی) دو گاز با ریشه دوم چگالی های آنها نسبت عکس دارد. این قاعده کلی به قانون گراهام معروف می باشد.
مثال:
چگالی گاز A نه برابر گاز B می باشد. در یک دستگاه پخش و در یک فشار و دمای معین، گاز B در 10s به اندازه 15cm پخش می شود. سرعت پخش گاز A در همین دستگاه در دما و فشار مشابه چقدر خواهد بود؟
مقادیر بالا را در فرمول جایگزاری می کنیم
تغییرات حجم یک نمونه از گاز در فشار ثابت با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد. افزایش دمای گاز باعث افزایش حجم گاز و همچنین کاهش دمای گاز موجب کاهش حجم گاز می شود.
مثال:
یک نمونه گاز در دمای 73- درجه سانتی گراد، حجم آن 300 میلی لیتر است اگر چنانچه در فشار ثابت، دمای گاز را به 27 درجه سانتی گراد برسانیم، حجم آن گاز چند میلی لیتر خواهد شد؟ (با توجه به صورت سوال که اشاره به فشار ثابت کرده است می توانیم از رابطه قانون شارل استفاده کنیم.)