Διάγραμμα θερμοκρασίας πίεσης:Παράδειγμα διάγραμμα PT r22

Ένα διάγραμμα πίεσης-θερμοκρασίας παρέχει πληροφορίες για το πώς η θερμοκρασία και η πίεση μιας ουσίας σχετίζονται μεταξύ τους. Η πίεση και η θερμοκρασία έχουν σχέση μεταξύ τους, μια σχέση που αναφέρεται ως νόμος του Gay-Lussac. Ο νόμος του Gay Lussac δηλώνει ότι για μια σταθερή μάζα αερίου, η πίεση του αερίου έχει ευθέως ανάλογη σχέση με τη θερμοκρασία.

Μια πιο προσεκτική ματιά στο πώς η πίεση και η θερμοκρασία συνδέονται μεταξύ τους θα μας βοηθήσει να κατανοήσουμε τη σημασία του νόμου του Gay Lussac στη χημεία και θα μας βοηθήσει να μάθουμε πώς να ερμηνεύουμε ένα διάγραμμα πίεσης-θερμοκρασίας, όπως αυτό για r22 PT.

Ο νόμος του Gay Lussac

Ο νόμος του Gay-Lussac δηλώνει ότι υπάρχει σχέση μεταξύ της θερμοκρασίας σε Kelvin του αερίου και της πίεσης του αερίου. Συγκεκριμένα, για οποιαδήποτε δεδομένη ποσότητα αερίου, εάν ο όγκος διατηρείται σταθερός, η πίεση αυτού του αερίου είναι ευθέως ανάλογη με τη θερμοκρασία του σε Kelvin. Ένας άλλος τρόπος να το πούμε αυτό είναι ότι όσο ανεβαίνει η θερμοκρασία, αυξάνεται και η πίεση και το αντίστροφο. Αυτός ο νόμος μπορεί να αναπαρασταθεί από την ακόλουθη εξίσωση:

P / T =C

Αυτός ο νόμος ανακαλύφθηκε από τον Γάλλο χημικό Joseph Gay-Lussac (1778 – 1850) ο οποίος έκανε πειράματα για να ποσοτικοποιήσει τη σχέση μεταξύ πίεσης και θερμοκρασίας. Ως συγκεκριμένο παράδειγμα του πώς λειτουργεί αυτός ο νόμος, σκεφτείτε πώς η λειτουργία των δεξαμενών προπανίου επηρεάζεται από τη θερμοκρασία. Αν μαγειρέψατε ποτέ με δεξαμενή προπανίου σε μπάρμπεκιου, ίσως θα έχετε παρατηρήσει ότι το μανόμετρο του ρεζερβουάρ είναι υψηλότερο τις ζεστές μέρες από ό,τι τις κρύες μέρες. Ίσως χρειαστεί να λάβετε υπόψη τη διακύμανση της πίεσης όταν αποφασίζετε εάν η δεξαμενή μπορεί να διαρκέσει ή όχι για άλλη μια συνεδρία μαγειρέματος.

Ως ένα πιο μαθηματικό παράδειγμα της σχέσης μεταξύ πίεσης και θερμοκρασίας, εξετάστε πώς η θερμοκρασία του αερίου σε ένα δοχείο αερολύματος θα μπορούσε να αλλάξει σε διαφορετικές θερμοκρασίες. Εάν η πίεση του αερίου είναι 3 ATM όταν η θερμοκρασία είναι 25°C (ή 298° Kelvin), μπορούμε να υπολογίσουμε την πίεση του δοχείου στους 845°C ή 1108 εφηβικούς βαθμούς Kelvin. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτήν την εξίσωση για να αναπαραστήσουμε τη διαφορά:

P2 =(3,00atm×1118K)/298K =11,3 atm

Όπως μπορείτε να δείτε, η πίεση αυξάνεται σημαντικά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του δοχείου αερολύματος, γι' αυτό είναι τόσο επικίνδυνο να απορρίπτετε τα δοχεία αεροζόλ με την καύση τους.

Εξερεύνηση του νόμου του Καρόλου

Ο νόμος Gay-Lussac είναι αρκετά παρόμοιος με έναν άλλο νόμο της χημείας που ονομάζεται νόμος του Charles. Ο νόμος του Καρόλου αναγνωρίζει ότι υπάρχει μια ισχυρή σχέση μεταξύ του όγκου του αερίου και της θερμοκρασίας του αερίου. Σκεφτείτε πώς ανεβαίνει ο ζεστός αέρας και πόσο δροσερός αέρας τείνει να συγκεντρώνεται στο επίπεδο του εδάφους. Αυτός είναι ο λόγος που ο δεύτερος όροφος του σπιτιού σας είναι συχνά ένας αριθμός από αυτούς στο επίπεδο του εδάφους και γιατί τα αερόστατα ανεβαίνουν. Αυτός είναι επίσης ο λόγος για τον οποίο οι μονάδες θέρμανσης τοποθετούνται συνήθως κοντά στο δάπεδο ή στο πάτωμα, και αντιστρόφως γιατί οι μονάδες κλιματισμού τοποθετούνται συνήθως κοντά στην οροφή. Η εξήγηση αυτού του φαινομένου είναι ότι καθώς τα αέρια θερμαίνονται, διαστέλλονται. Επειδή η ίδια ποσότητα αερίου έχει κατανεμηθεί σε μεγαλύτερη επιφάνεια, αυτό σημαίνει επίσης ότι ο κρύος αέρας είναι πιο πυκνός από τον ζεστό αέρα.

Ο Γάλλος χημικός Jacques Alexandre César Charles (1746-1823) ήταν ο πρώτος άνθρωπος που έκανε πειράματα ποσοτικοποιώντας αυτή τη συσχέτιση μεταξύ θερμοκρασίας και όγκου. Σχεδιάζοντας τα αποτελέσματα των πειραμάτων του σε ένα γράφημα, ο Charles μπόρεσε να δείξει ότι η σχέση μεταξύ θερμοκρασίας και όγκου είναι βασικά μια ευθεία γραμμή, ότι υπάρχει μια περισσότερο ή λιγότερο γραμμική σχέση μεταξύ των δύο χαρακτηριστικών. Επειδή υπήρχε μια γραμμική σχέση, η ευθεία γραμμή που παρακολουθούσε και τον όγκο και τη θερμοκρασία ενός αερίου μπορούσε να ανιχνευθεί μέχρι κάτω σε κάποιο σημείο όπου τόσο ο όγκος όσο και η θερμοκρασία θα έπρεπε ουσιαστικά να μην υπάρχουν, και αυτό το θεωρητικό σημείο αντιστοιχεί στη θερμοκρασία -273,15 °C. Θυμηθείτε ότι αυτή είναι απλώς μια θεωρητική τιμή και ότι στην πραγματικότητα, ένα δείγμα αερίου δεν μπορεί να έχει μηδενικό όγκο. Ένα άλλο σημείο που πρέπει να λάβετε υπόψη είναι ότι σε 1 atm κάθε γνωστό αέριο θα υγροποιηθεί σε θερμοκρασίες πολύ μεγαλύτερες από αυτή των -273,15°C.

Τόσο το εύρημα του Gay-Lussac όσο και ο νόμος του Charle μπορούν να δηλωθούν με απλές εξισώσεις και η εξίσωση που αντιπροσωπεύει το νόμο του Charles είναι η εξής:

V=const.T

Νόμος του Avogadro

Ο νόμος του Avogadro, που αναφέρεται επίσης ως ο κύριος του Avogadro είναι ένας άλλος νόμος για τα αέρια που καλύπτει τον τρόπο με τον οποίο ο όγκος του αερίου σχετίζεται με την ποσότητα της ουσίας μέσα σε αυτό το αέριο. Πιο τυπικά, δηλώνει ότι ίσοι όγκοι διαφορετικών αερίων θα έχουν όλα τον ίδιο αριθμό μορίων όταν βρίσκονται στην ίδια θερμοκρασία και πίεση. Με άλλα λόγια, για οποιαδήποτε δεδομένη μάζα ενός ιδανικού αερίου, υποθέτοντας ότι η πίεση και η θερμοκρασία του αερίου είναι σταθερές, ο αριθμός των mol στον όγκο αυτού του αερίου θα έχει μια ευθέως ανάλογη σχέση.

Ο νόμος του Avogadro να αναπαρασταθεί με την ακόλουθη εξίσωση:

V=const.(n)

Πιο συγκεκριμένα, εάν έχετε τέσσερα διαφορετικά δείγματα αερίων, ας πούμε υδρογόνο, άζωτο (N2), Nh3 και CH4, τα τέσσερα διαφορετικά δείγματα αερίων θα έχουν τον ίδιο αριθμό αερίων σωματιδίων, εφόσον οι όγκοι είναι ισοδύναμοι και είναι στο ίδια ατμοσφαιρική πίεση και θερμοκρασία. Σημειώστε ότι η μάζα αυτών των τεσσάρων αερίων θα είναι διαφορετική όμως επειδή η μοριακή μάζα για κάθε αέριο είναι διαφορετική.

Η αρχή ή ο νόμος πήρε το όνομά του από τον Ιταλό επιστήμονα Amedeo Avogadro. Το Avogadro ήταν υπεύθυνο όχι μόνο για την παραπάνω υπόθεση, αλλά το Avogadro έπαιξε επίσης σημαντικό ρόλο στον καθορισμό της μοριακής μονάδας μέτρησης. Ο αριθμός των μορίων, ή των συστατικών σωματιδίων, σε ποσότητα ουσίας ισοδύναμη με ένα mole είναι 6,022140857(74)×10^23. Αυτός είναι ο αριθμός του Avogadro ή η σταθερά Avogadro. Τον Μάιο του 2019 το Διεθνές Σύστημα Μονάδων θα επαναπροσδιορίσει την τιμή της σταθεράς Avogadro ως ακριβώς 6,02214076×1023 mol−1.

Νόμος του Μπόιλ

Ένας άλλος νόμος των αερίων είναι ο νόμος του Boyle, ο οποίος δηλώνει ότι ο όγκος ενός αερίου θα μειωθεί καθώς αυξάνεται η πίεση σε ένα αέριο. Αυτό συμβαίνει επειδή η πίεση αναγκάζει τα σωματίδια στο αέριο το ένα προς το άλλο. Ως αντίθετο αποτέλεσμα, ο όγκος του αερίου θα αυξηθεί καθώς μειώνεται η πίεση, επειδή τα σωματίδια του αερίου είναι ικανά να απομακρύνονται περισσότερο το ένα από το άλλο. Αυτό το φαινόμενο είναι υπεύθυνο για το γεγονός ότι τα μετεωρολογικά μπαλόνια αυξάνονται σε μέγεθος καθώς ανεβαίνουν από την ατμόσφαιρα και μεταβαίνουν σε περιοχές χαμηλής πίεσης. Η μειωμένη πίεση στην ανώτερη ατμόσφαιρα σημαίνει ότι το αέριο έχει περισσότερο χώρο για διαστολή έως ότου εξισορροπηθεί η εξωτερική και η εσωτερική πίεση.

Ο νόμος του Μπόιλ πήρε το όνομά του από τον Ιρλανδό χημικό Ρόμπερτ Μπόιλ, ο οποίος έκανε κάποια πειράματα στα μέσα αυτού του 17ου αιώνα που ήταν υπεύθυνα για την ποσοτικοποίηση της σχέσης μεταξύ του όγκου ενός αερίου και της πίεσης στην οποία βρισκόταν το αέριο. Για να εξερευνήσει αυτή τη σχέση, ο Boyle χρησιμοποίησε έναν σωλήνα σχήματος J που ήταν μερικώς γεμάτος με υδράργυρο. Η δομή του σωλήνα και ο υδράργυρος μέσα σε αυτόν παγίδευσαν μια μικρή ποσότητα αερίου μέσα στο σωλήνα και ο Boyle μέτρησε πώς άλλαζε ο όγκος του αερίου όταν βρισκόταν υπό διαφορετικές πιέσεις.

Η σχέση μεταξύ πίεσης και όγκου μπορεί να εκφραστεί με την ακόλουθη εξίσωση:

V =const./P =const.(1/P)

Ο νόμος του συνδυασμένου αερίου

Ο συνδυασμένος νόμος αερίων είναι μια γενική εξίσωση αερίων που προκύπτει από το συνδυασμό των παραπάνω νόμων μαζί, δείχνοντας πώς οι τιμές της πίεσης, του όγκου και της θερμοκρασίας σχετίζονται μεταξύ τους. Για οποιαδήποτε σταθερή μάζα αερίου, η σχέση μεταξύ των συστατικών του μπορεί να εκφραστεί ως εξής:

P1V1/T1 =p2V2/T2.

Η προσθήκη του νόμου του Avogadro σε αυτήν την εξίσωση μας δίνει το εξής:

pV=nRT

Αυτός είναι ο νόμος για το ιδανικό αέριο.

Πέρα από αυτό, υπάρχουν και άλλοι νόμοι για τα αέρια, όπως ο νόμος των γραμμαρίων, ο νόμος Dalton και ο νόμος του Henry, αλλά αυτοί οι άλλοι νόμοι δεν χρησιμοποιούνται τόσο συχνά όσο οι παραπάνω τέσσερις νόμοι.

Ερμηνεία ενός διαγράμματος θερμοκρασίας πίεσης

Τώρα που είδαμε τους διάφορους νόμους που καλύπτουν τις διαφορετικές ιδιότητες των αερίων, της πίεσης και της θερμοκρασίας που περιλαμβάνονται, μπορούμε να κατανοήσουμε καλύτερα πώς να ερμηνεύσουμε ένα διάγραμμα πίεσης-θερμοκρασίας. Ένα γράφημα πίεσης-θερμοκρασίας, όπως αυτό, περιλαμβάνει τιμές τόσο για τη θερμοκρασία όσο και για την πίεση ενός αερίου ή ρευστού σε μια σειρά σειρών και στηλών.

Οι στήλες βρίσκονται στον έναν άξονα ενώ οι σειρές στον άλλο άξονα. Η εξέταση μιας γραμμής ή στήλης του γραφήματος θα δείξει ότι όσο αυξάνεται η θερμοκρασία, η πίεση του υγρού ή του αερίου θα πρέπει επίσης να αυξάνεται, σύμφωνα με τους νόμους που ορίζονται παραπάνω. Εάν είστε περίεργοι για τη συγκεκριμένη πίεση που έχει ένα αέριο ή υγρό σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, απλώς αναζητήστε αυτήν τη θερμοκρασία και ακολουθήστε τη σειρά απέναντι για να βρείτε τη θερμοκρασία ή την πίεση ή το αντίστροφο.