Що таке газова константа R?

Фундаментальна константа в термодинаміці, газова стала (позначається як R), використовується для зв’язку між характеристиками газів. Закон ідеального газу, який уточнює

,як поводяться ідеальні гази, є посилання на це. Відповідно до закону ідеального газу, співвідношення між тиском, об’ємом і температурою ідеального газу пропорційне числу молей (n) присутнього газу, причому R є константою пропорційності.

Залежно від обраного методу вимірювання R виражається в різних одиницях. Дж/(моль K) і л/(моль K) є двома найпопулярнішими одиницями. R означає газову константу в першому випадку в джоулях на моль-кельвін, а в другому випадку — у літрах-атмосферах на моль-кельвін.

Інші фундаментальні константи, такі як число Авогадро (Na) і постійна Больцмана (k), можна використовувати для визначення значення R. У термінах, що не належать до СІ, R приблизно еквівалентно 0,0821 лат/(моль К), але в одиницях СІ , це приблизно еквівалентно 8,314 Дж/(моль К).

Коли використовувати R = 8,314 Дж/(моль�К)

a. Одиниці енергії

R = 8,314 Дж/(моль К) слід використовувати при роботі з одиницями енергії, виміряними в джоулях, наприклад, для розрахунку змін енергії в реакції або тепла, переданого під час процесу. Послідовність у розрахунках енергії стає можливою завдяки цьому значенню.

b. Молярні величини

При обговоренні молярних величин, таких як кількість молей газу або молярна маса, використовується R = 8,314 Дж/(моль К). Якщо закон ідеального газу або інші термодинамічні рівняння, що включають молі, обчислювати з цим числом, одиниці будуть правильно скомпоновані.

в. Одиниці вимірювання температури

R = 8,314 Дж/(моль К) слід використовувати при використанні Кельвіна (К) як одиниці температури. Оскільки шкала Кельвіна є абсолютною шкалою з 0, що означає відсутність молекулярного руху, це найкраща температурна шкала в термодинаміці. R = 0,0821 л атм/(моль·К): це співвідношення використовується під час конвертації між одиницями СІ та іншими одиницями, особливо під час порівняння вимірювань тиску та об’єму. Ця одиниця R визначається в літрах-атмосферах на моль-кельвін.

Коли використовувати R = 0,0821 L�atm/(mol�K):

a. Одиниці об’єму

Доцільно використовувати R = 0,0821 Latm/(molK) під час роботи з одиницями об’єму в літрах (л), наприклад для обчислення густини газу або вимірювання об’єму газу. Коли літри використовуються як одиниці об’єму, це значення гарантує консистенцію.

b. Одиниці тиску

Якщо використовувати атмосфери (атм) як одиницю тиску, R = 0,0821 л/(моль К). Це значення часто використовується в техніці та промисловості, де обраною одиницею тиску є атм.

в. Закон ідеального газу в одиницях, відмінних від СІ

Доцільно використовувати R = 0,0821 Latm/(molK), щоб зберегти узгодженість рівняння закону ідеального газу (PV = nRT), використовуючи одиниці, відмінні від СІ, для тиску (атм) і об’єму (л).

На вибір значення R впливають одиниці вимірювання, які використовувалися в процесі обчислень або розв’язування задач, про це важливо пам’ятати. Щоб поєднати різні рівняння або числа точно та осмислено, важливо переконатися, що одиниці є узгодженими.

За допомогою закону ідеального газу можна пов’язати властивості газів із газовою константою R. Використовувані одиниці вимірювання впливають на значення R. Якщо мати справу з одиницями енергії, молярними величинами та температурою Кельвіна, значення 8,314 Дж/(моль К) використовується в одиницях СІ. В одиницях, що не належать до СІ, особливо коли йдеться про літри, атмосфери та моль K, використовується значення 0,0821 л атм/моль K.

Застосування R газової постійної

Деякі з ключових застосувань газової постійної.

Закон ідеального газу

Закон ідеального газу, який визначає, як поводяться ідеальні гази, не є повним без газової сталої. PV = nRT — рівняння для закону ідеального газу, де P — тиск, V — об’єм, n — молі газу, T — температура, а R — газова стала.

У багатьох галузях науки та техніки це рівняння часто використовується, оскільки воно дає нам змогу зв’язати основні характеристики газів, такі як тиск, об’єм, температура та кількість молей.

Стехіометрія газу

Газова стехіометрія, яка досліджує кількісні кореляції між реагентами та продуктами хімічних реакцій, значною мірою залежить від газової постійної.

Легко визначити, скільки реагентів або продуктів бере участь у реакції, використовуючи закон ідеального газу та ідею молярного об’єму, який є об’ємом, який займає один моль газу при певній температурі та тиску. Це особливо корисно в таких галузях, як хімічна інженерія та виробництво, де точний контроль кількості реагентів є важливим.

Термодинаміка

Газова константа фігурує в ряді рівнянь і співвідношень термодинаміки. Як показано в рівнянні U = nCvT, де Cv — молярна питома теплоємність при постійному об’ємі, воно використовується, наприклад, для розрахунку зміни внутрішньої енергії (U) системи.

Варіації ентропії (S) і ентальпії (H) газів також розраховуються за допомогою газової постійної. У дослідженні передачі енергії та вибору параметрів системи ці термодинамічні концепції є вирішальними.

Закони про газ

Ключовим компонентом кількох газових законів, які пояснюють зв’язки між різними властивостями газу, є газова стала. Газові закони включають закон Бойля (PV = постійна), закон Чарльза (V/T = постійна) і закон Авогадро (V/n = постійна). Ці принципи разом із законом ідеального газу дозволяють вченим та інженерам прогнозувати результати та вирішувати проблеми, пов’язані з газом, у різних умовах.

Реальні гази

У той час як закон ідеального газу припускає, що гази поводяться оптимально, реальні гази не завжди поводяться таким чином, особливо при високих тисках і низьких температурах. Рівняння Ван-дер-Ваальса, варіант закону ідеального газу, який враховує міжмолекулярні сили та кінцевий розмір молекул газу, використовує газову постійну.

Більш точну ілюстрацію фактичної поведінки газу забезпечує рівняння Ван-дер-Ваальса. Газова стала також включена в інші рівняння стану, такі як рівняння Редліха-Квонга та рівняння Пенга-Робінсона, щоб охарактеризувати поведінку неідеального газу за різних обставин.

Кінетична теорія газів

Згідно з кінетичною теорією газів, макроскопічні характеристики газу пов’язані з рухом і взаємодією молекул, що його утворюють. У кількох рівняннях, отриманих на основі кінетичної теорії, як-от рівняння для середньоквадратичної швидкості молекул газу (vrms = (3RT/M)), де M — молярна маса газу, використовується газова стала.

Розуміння таких понять, як дифузія, ефузія та теплопровідність, потребує розуміння цих рівнянь, які пропонують уявлення про поведінку газів на молекулярному рівні.

Енергетичні системи

Поле енергетичних систем і термодинамічний аналіз використовують газову постійну. Він використовується в рівняннях, які оцінюють ефективність і функціональність різних систем перетворення енергії, включаючи електростанції, двигуни внутрішнього згоряння та системи охолодження. Інженери можуть оцінити та підвищити енергоефективність таких систем, враховуючи газову константу в цих розрахунках.

Ідеальні рішення

приклади програм на python

Газова константа відіграє важливу роль у вивченні ідеальних розчинів, які є сумішами, які демонструють ідеальну поведінку, подібну до ідеальних газів. У контексті ідеальних розчинів газова стала використовується в таких рівняннях, як закон Рауля та закон Генрі, які описують поведінку летких розчинених речовин у розчинниках.

Ці закони знаходять застосування в таких сферах, як хімічна інженерія, фармацевтика та наука про навколишнє середовище, де поведінка розчинених речовин у розчинах має вирішальне значення для розуміння їхніх властивостей і взаємодії.

Газова хроматографія

Розділення та аналіз сумішей летких речовин здійснюється за допомогою широко використовуваного аналітичного методу, відомого як газова хроматографія. У розрахунках за допомогою газової хроматографії газова константа використовується для встановлення зв’язку між температурою та часом утримування (кількістю часу, який речовина проводить у хроматографічній колонці). Компоненти, присутні в комбінації, можна ідентифікувати та кількісно визначити на основі тривалості їхнього зберігання, знаючи це співвідношення.

Наука про атмосферу

Щоб зрозуміти поведінку та склад земної атмосфери, наука про атмосферу залежить від газової постійної. У рівняннях, які пояснюють характеристики повітря, як-от закон ідеального газу, він використовується для обчислення таких елементів, як густина повітря, тиск і температура.

Для розуміння атмосферних процесів, таких як погода, зміна клімату та розсіювання забруднення повітря, газова стала також використовується в симуляції та моделях.

Матеріалознавство

Вивчення фазових переходів і властивостей матеріалів використовує газову константу в матеріалознавстві та техніці. Ця концепція використовується в рівнянні Клаузіуса-Клапейрона, яке пов’язує тиск пари речовини з її температурою під час фазових зсувів, таких як випаровування або конденсація. Дослідники можуть досліджувати та прогнозувати, як матеріали поводитимуться в різних сценаріях, додаючи газову константу.

Калібрування приладів

Різні наукові прилади калібруються за допомогою газової постійної. Газова константа, наприклад, використовується для перекладу виміряних значень у правильні одиниці в газових датчиках і аналізаторах. Він пропонує фундаментальний коефіцієнт перетворення, який пов’язує електричні сигнали, отримані приладами, і фізичні характеристики газів, такі як тиск і температура, з атрибутами цих сигналів.

Освітні програми

На уроках науки та інженерії однією з основоположних ідей є газова стала. Термодинаміка, газові закони та інші пов’язані концепції – усе це можна зрозуміти, використовуючи це як основу.

Розуміння використання газової константи дозволить студентам зрозуміти та вирішити проблеми, що стосуються газів та їхньої поведінки, що є ключовим у таких дисциплінах, як хімія, фізика та інженерія.