Vegyészet

Ideális gáz számítása: miért kelvinnel és abszolút nyomással dolgozunk?

Ideális gáz számítása kelvinnel és abszolút nyomással. Mi történik 20-ról 40 °C-ra melegítéskor, és miért más a túlnyomás százalékos változása?

Dajka Gábor4 perc olvasás

Melegítés előtt írd le, melyik mennyiség marad állandó: a gáz anyagmennyisége, a térfogata vagy a nyomása. Az állapotegyenletből ezután következik a megfelelő arány. A Celsius-skáláról és a túlnyomásmérőről leolvasott számokat előbb alakítsd a képlet bemeneteivé.

Az állapotegyenlet egységei

Az ideális gáz állapotegyenlete pV = nRT. SI-egységekkel p pascal, V köbméter, n mol, T kelvin, R közelítőleg 8,31446 J/(mol·K). A Celsius-hőmérsékletet 273,15 hozzáadásával alakítjuk kelvinre.

Szemléltető n = 1 mol, T = 300 K és p = 100 000 Pa mellett V = nRT/p ≈ 0,024943 m³, azaz 24,943 liter. Ha a térfogatot literben helyettesíted be SI-egységű R mellett, előbb ezreddel kell szoroznod.

Melegítés állandó térfogaton

Zárt, változatlan térfogatú rendszerben, azonos anyagmennyiségnél p₂/p₁ = T₂/T₁. A 20 °C-ról 40 °C-ra melegítés szorzója 313,15/293,15 ≈ 1,06822. A nyomás a modellben körülbelül 6,82%-kal nő.

Állandó nyomásnál ugyanez az arány a térfogatokra érvényes. A két esetet külön kell kezelni: egyszerre nem feltételezheted változatlannak a nyomást és a térfogatot, miközben zárt rendszerben változik a hőmérséklet.

A számítás ellenőrzése

A nyomást abszolút nyomásként add meg. Ez a viszonyítás alapját jelöli; egy negatív műszerérték előjelének elhagyása nem végzi el az átalakítást. Ha műszer túlnyomást mutat, a környezeti nyomást hozzá kell adni. A hőmérséklet legyen pozitív kelvinérték. A valós gázok eltérhetnek az ideális modelltől, különösen olyan tartományokban, ahol a kölcsönhatások és a részecskék saját térfogata jelentős. Az eredményt oktatási modellként értelmezd; nyomástartó berendezés méretezésére önmagában nem elegendő.

Mit mutat közben a túlnyomásmérő?

Egy külön számolási példában a zárt, merev térfogatú rendszer kezdeti túlnyomása 2,00 bar, a környezeté 1,00 bar. A gáz kezdeti abszolút nyomása ezért 3,00 bar. A 20 °C-ról 40 °C-ra melegítés után p₂ = 3,00 × 313,15 / 293,15 ≈ 3,2047 bar. Változatlan környezeti nyomást feltételezve a műszer körülbelül 2,2047 bar túlnyomást jelezne.

Az abszolút nyomás növekedése 6,82%, a túlnyomásé viszont körülbelül 10,23%, mert ugyanazt a 0,2047 bar változást más kezdőértékhez viszonyítjuk. A túlnyomás közvetlen 1,06822-szerese hibás eredményt adna. Visszaellenőrzéshez a végső túlnyomáshoz add hozzá a környezeti nyomást, majd az abszolút nyomások hányadosát vesd össze a kelvinben mért hőmérsékletekével. Szivárgás, térfogatváltozás vagy megváltozó külső nyomás esetén ezt a példát új feltételekkel kell felírnod.

Kapcsolódó DG Kalkulátor megnyitása

Forrás és módszertani háttér

A számpéldák saját szemléltető számítások.

Háromkérdéses tudáspróba

Válassz kérdésenként egy választ, és jegyezd fel az A, B vagy C betűt. Előbb oldd meg mindhárom feladatot, utána nézd meg a megoldásokat.

1. Mennyi 0 °C kelvinben?

  • A) 0 K
  • B) 273,15 K
  • C) 100 K

2. Állandó V és n mellett kétszeres kelvinhőmérséklet mit ad?

  • A) Fele nyomást
  • B) Változatlan nyomást
  • C) Kétszeres abszolút nyomást

3. 2,00 bar kezdeti túlnyomás és állandó 1,00 bar környezeti nyomás mellett a gázt 20 °C-ról 40 °C-ra melegítjük, változatlan anyagmennyiséggel és térfogattal. Melyik a helyes végső túlnyomás?

  • A) Körülbelül 2,2047 bar
  • B) Körülbelül 2,1364 bar
  • C) 4,00 bar

Megoldások és önálló pontozás

Minden helyes válasz 1 pont; a hibás vagy kihagyott válasz 0 pont. Legfeljebb 3 pont szerezhető. 3 pont: Helyesen választottad meg a hőmérsékleti skálát és a nyomás viszonyítását, majd visszaalakítottad a műszer által jelzett értéket. 2 pont: nézd át az eltévesztett kérdésnél megnevezett részt, és számold újra annak példáját. 0–1 pont: haladj végig a három megoldáson, majd oldd meg újra a kérdéseket. Ez a rövid próba a cikk összefüggéseinek megértését ellenőrzi.

1. megoldás

B) 273,15 K – A két skála közötti eltolás 273,15. Ha más választ adtál vagy kihagytad, ezt a részt ismételd át: Az állapotegyenlet egységei.

2. megoldás

C) Kétszeres abszolút nyomást – p/T állandó az ideális gáz modelljében. Ha más választ adtál vagy kihagytad, ezt a részt ismételd át: Melegítés állandó térfogaton.

3. megoldás

A) Körülbelül 2,2047 bar – Előbb 3,00 bar abszolút nyomást számolunk, ezt szorozzuk 313,15/293,15-tel, végül levonjuk az 1,00 bar környezeti nyomást. A 2,1364 bar a túlnyomás téves közvetlen arányosításából, a 4,00 bar a Celsius-számok hányadosából adódna. Ha más választ adtál vagy kihagytad, ezt a részt ismételd át: Mit mutat közben a túlnyomásmérő?.

További cikkek

Kapcsolódó olvasnivalók

Gyorskereső

Kalkulátorok és útmutatók keresése

↑↓ választásEnter megnyitásEsc bezárás