من از شما می خواهم یک برخورد را تصور کنید. چه چیزی به ذهن شما می رسد؟ من یک طرفدار بزرگ فوتبال NFL هستم! متأسفانه تیم مورد علاقه من برانکو است. آنها امسال دوباره وحشتناک بازی می کنند. اولین چیزی که به ذهنم رسید یک تکل بزرگ بود. بازیکنان NFL ضربه محکمی زدند.
آیا می دانستید که در حال حاضر، اتم ها و مولکول ها با شما برخورد می کنند؟ جو ما عمدتاً از نیتروژن و اکسیژن دو اتمی تشکیل شده است. همچنین دارای کمی گاز نجیب آرگون است. همه اینها گاز هستند! در هر ثانیه، میلیاردها برخورد را تجربه می کنید!
وقتی خواص فیزیکی گازها را مطالعه کردیم ، نظریه مولکولی جنبشی را ذکر کردیم . فرض بر این است که گازها در حرکت تصادفی ثابت هستند. گاهی اوقات آنها با یکدیگر برخورد می کنند . مواقع دیگر با ظرف خود برخورد می کنند. هنگامی که یک مولکول گاز به ظرف خود برخورد می کند، نیرویی وارد می کند.
بیایید میانگین نیروی اعمال شده بر روی منطقه ظرف را در نظر بگیریم. واحد ما نیوتن بر متر مربع خواهد بود (). این همان پاسکال است! می دانیم که پاسکال ها واحدهای فشار SI هستند. بنابراین، فشار گاز به میزان نیرویی است که برخوردها به ظرف گاز وارد می کنند.
قوانین گاز مربوط به فشار:
بیایید برخی از قوانین گاز را بررسی کنیم. تمام قوانین گاز ذکر شده در زیر فشار را در نظر می گیرند.
قانون بویل: رابرت بویل قانون خود را در سال 1662 توسعه داد! حجم ظرف را به فشار گاز داخلی مرتبط می کند. او کشف کرد که حجم و فشار معکوس هستند. بنابراین، اگر حجم را افزایش دهید، فشار کاهش می یابد. و اگر حجم را کاهش دهید، فشار افزایش می یابد.
بیایید به برخوردها فکر کنیم. تصور کنید که یک مول گاز داریم. آن یک مول گاز فشار معینی را اعمال می کند. وقتی حجم را افزایش می دهیم، ذرات گاز باید بیشتر حرکت کنند تا به ظرف برخورد کنند. برخوردهای کمتری خواهیم داشت. بنابراین فشار کمتری داریم. حالا بیایید صدا را کم کنیم. گاز فضای کمتری برای حرکت دارد. بنابراین، بیشتر روی ظرف تأثیر می گذارد. برخورد بیشتر برابر با نیروی بیشتر است. بنابراین، فشار افزایش می یابد.
قانون گی-لوساک: قانون گی-لوساک به وابستگی فشار به دما می پردازد. آنها یاد گرفتند که فشار و دما ارتباط مستقیمی با هم دارند. وقتی گازی را گرم می کنیم، انرژی جنبشی انتقالی آن را افزایش می دهیم . مولکول ها سریعتر حرکت می کنند. بنابراین، آنها بیشتر برخورد می کنند و فشار افزایش می یابد. وقتی گازی را خنک می کنیم، حرکت آن را کاهش می دهیم. حرکت کمتر به معنای برخورد کمتر است. بنابراین خنک کردن فشار را کاهش می دهد.
قانون گاز ترکیبی: قانون گاز ترکیبی فشار، حجم و دما را بررسی می کند. گاهی اوقات، وقتی یک متغیر را تغییر می دهیم، چندین متغیر پاسخ می دهند. مثلاً صدا را زیاد کنیم. از قانون بویل می دانیم که فشار ما کاهش می یابد. به گفته Gay-Lussac، اگر فشار ما کاهش یابد، دمای ما نیز کاهش می یابد. قانون گاز ترکیبی به ما امکان می دهد سه متغیر را به هم مرتبط کنیم. اگر دو تا از آنها را بشناسیم، می توانیم سومی را حل کنیم.
قانون گاز ایده آل: قانون گاز ایده آل ترکیبی از تمام قوانین گاز است. ما در مورد قوانین آواگادرو یا چارلز صحبت نکردیم زیرا آنها به فشار نگاه نمی کردند. اما، شامل آن ها می شود. قانون گاز ایده آل را به صورت می نویسیم. P فشار، V حجم، n مول، R ثابت گاز و T دما است.
قانون گاز ایده آل به ما اجازه می دهد تا رابطه بین تمام قوانین گاز را ببینیم. اگر سمت راست معادله افزایش یابد، چیزی در سمت چپ نیز افزایش می یابد. به عنوان مثال، اگر تعداد مول ها را افزایش دهیم، سمت راست معادله بزرگتر می شود. اگر حجم ثابتی داشته باشیم، پس باید فشار را بالا برده باشیم. این منطقی است! اگر ذرات گاز بیشتری داشته باشیم، برخوردهای بیشتری خواهیم داشت. برخورد بیشتر به معنای فشار بیشتر است.
شیمی در دنیای واقعی: له کردن یک طبل 55 گالن
می خواهم یک درام فلزی 55 گالن را تصور کنید . با ریختن یک گالن آب در آن شروع کنید. حالا آن را روی آتش بگذارید. با گرم شدن، آب شروع به تغییر فاز می کند . به یاد داشته باشید، جوش زمانی اتفاق می افتد که فشار بخار با فشار اتمسفر برابر شود . تبخیر آب، هوا را از درام خارج می کند. وقتی تمام آب به جوش آمد، درپوش را روی درام قرار دهید. درام باید هوابند باشد. پس از آب بندی درام، آن را در حمام یخ قرار دهید یا با شلنگ اسپری کنید. اسپری کردن آن با شلنگ راحت تر است. خنک شدن سریع درام باعث متراکم شدن آب می شود . با تبدیل شدن بخار آب به مایع ، فشار در درام کاهش می یابد. از قانون گاز ایده آل می دانیم که کاهش مول بخار آب فشار را کاهش می دهد. در نهایت، طبل فلزی منفجر خواهد شد! فشار اتمسفر بسیار قوی تر از فشار داخلی گاز است.
اگر می خواهید این آزمایش را در مقیاس کوچکتر در خانه انجام دهید، می توانید از قوطی نوشابه استفاده کنید. ابتدا قوطی نوشابه را با مقدار کمی آب پر کنید. سپس قوطی را روی اجاق گاز گرم کنید. صبر کنید تا بخار از قوطی خارج شود. با استفاده از یک انبر، قوطی نوشابه را در یک کاسه آب یخ قرار دهید. درست مانند درام فلزی، فرو خواهد ریخت.
چرا منفجر نمی شوم؟
شاید تعجب کنید که چرا مردم می توانند در برابر فشار هوا مقاومت کنند. اگر بتواند یک درام فلزی را خرد کند، فکر می‌کنید منفجر می‌شویم. اما، به یاد داشته باشید که درام تنها زمانی شکسته شد که فشار داخلی کاهش یافت. در داخل هر سلول بدن شما سیتوپلاسم وجود دارد. سیتوپلاسم مایعی است که بر غشای سلولی فشار وارد می کند. بین سلول ها، مایع بینابینی وجود دارد. سلول های ما فشار اتمسفر را متعادل می کنند. بنابراین، ما منفجر نمی شویم!