KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]



Samankaltaiset tiedostot
4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta.

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Ideaalikaasulaki. Ideaalikaasulaki on esimerkki tilanyhtälöstä, systeemi on nyt tietty määrä (kuvitteellista) kaasua

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

Termodynamiikka. Termodynamiikka on outo teoria. Siihen kuuluvat keskeisinä: Systeemit Tilanmuuttujat Tilanyhtälöt. ...jotka ovat kaikki abstraktioita

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2017

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Termodynamiikka. Fysiikka III Ilkka Tittonen & Jukka Tulkki

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

ln2, missä ν = 1mol. ja lopuksi kaasun saama lämpömäärä I pääsäännön perusteella.

Ideaalikaasut. 1. Miksi normaalitila (NTP) on tärkeä puhuttaessa kaasujen tilavuuksista?

kertausta Boltzmannin jakauma infoa Ideaalikaasu kertausta Maxwellin ja Boltzmannin vauhtijakauma

KE4, KPL. 3 muistiinpanot. Keuruun yläkoulu, Joonas Soininen

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Termodynamiikan suureita ja vähän muutakin mikko rahikka

Fysiikan kurssit. MAOL OPS-koulutus Naantali Jukka Hatakka

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

luku 1.notebook Luku 1 Mooli, ainemäärä ja konsentraatio

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Alkuaineita luokitellaan atomimassojen perusteella

FY9 Fysiikan kokonaiskuva

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

( ) ( ) on nimeltään molekyylisironnan mikroskooppinen vaikutusala). Sijoittamalla numeroarvot saadaan vapaaksi matkaksi

PHYS-C0220 Termodynamiikka ja statistinen fysiikka Kevät 2016

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Pituuden lämpötilalaajeneminen ja -kutistuminen

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

Luvun 12 laskuesimerkit

Seoksen pitoisuuslaskuja

Aineen olomuodot. Fysiikka 2 tiivistelmä. Lämpö. Nimityksiä: systeemit. Paine. Lämpötila F A

Käyttämällä annettua kokoonpuristuvuuden määritelmää V V. = κv P P = P 0 = P. (b) Lämpölaajenemisesta johtuva säiliön tilavuuden muutos on

Teddy 1. välikoe kevät 2008

Valomylly. (tunnetaan myös Crookesin radiometrinä) Pieni välipala nykyisin lähinnä leluksi jääneen laitteen historiasta.

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ

VII LÄMPÖOPIN ENSIMMÄINEN PÄÄSÄÄNTÖ

Ch 19-1&2 Lämpö ja sisäenergia

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

TUNTEMATON KAASU. TARINA 1 Lue etukäteen argonin käyttötarkoituksista Jenni Västinsalon kandidaattitutkielmasta sivut Saa lukea myös kokonaan!

MOOLIMASSA. Vedyllä on yksi atomi, joten Vedyn moolimassa M(H) = 1* g/mol = g/mol. ATOMIMASSAT TAULUKKO

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

IX TOINEN PÄÄSÄÄNTÖ JA ENTROPIA...208

Tehtävä 2. Selvitä, ovatko seuraavat kovalenttiset sidokset poolisia vai poolittomia. Jos sidos on poolinen, merkitse osittaisvaraukset näkyviin.

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

2 Termodynamiikan ensimmäinen pääsääntö (First Law of Thermodynamics)

Sukunimi: Etunimi: Henkilötunnus:

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Lämpöopin pääsäännöt

Luento 4. Termodynamiikka Termodynaamiset prosessit ja 1. pääsääntö Entropia ja 2. pääsääntö Termodynaamiset potentiaalit

Yhdisteiden nimeäminen

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Kaasu Neste Kiinteä aine Plasma

I PERUSKÄSITTEITÄ JA MÄÄRITELMIÄ... 2

Tässä luvussa keskitytään faasimuutosten termodynaamiseen kuvaukseen

VIII KIERTOPROSESSIT JA TERMODYNAAMISET KONEET 196

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

1. Yksiulotteisen harmonisen oskillaattorin energiatilat saadaan lausekkeesta

Ekvipartitioteoreema. Entropia MB-jakaumassa. Entropia tilastollisessa mekaniikassa

Ekvipartitioteoreema

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

FYSA242 Statistinen fysiikka, Harjoitustentti

Aineen rakenne the structure of matter

KIINTEÄN AINEEN JA NESTEEN TILANYHTÄLÖT

Luku 13 KAASUSEOKSET

Osio 1. Laskutehtävät

a) Oletetaan, että happi on ideaalikaasu. Säiliön seinämiin osuvien hiukkasten lukumäärä saadaan molekyylivuon lausekkeesta = kaava (1p) dta n =

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

S Fysiikka III (EST 6 op) S Modernin fysiikan tietokoneharjoitukset (Sf, 2 op )

S , Fysiikka III (S) I välikoe Malliratkaisut

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:


Vauhti = nopeuden itseisarvo. Nopeuden itseisarvon keskiarvo N:lle hiukkaselle määritellään yhtälöllä

Lasku- ja huolimattomuusvirheet ½ p. Loppupisteiden puolia pisteitä ei korotettu ylöspäin, esim. 2½ p. = 2 p.

Lämpötila, lämpö energiana

T H V 2. Kuva 1: Stirling kiertoprosessi. Ideaalisen Stirlingin koneen sykli koostuu neljästä osaprosessista (kts. kuva 1):

FYSIIKAN HARJOITUSTEHTÄVIÄ

Luku6 Tilanyhtälö. Ideaalikaasun N V. Yleinen aineen. paine vakio. tilavuus vakio

Wien R-J /home/heikki/cele2008_2010/musta_kappale_approksimaatio Wed Mar 13 15:33:

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

766328A Termofysiikka Harjoitus no. 10, ratkaisut (syyslukukausi 2014)

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2016

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta dia-valinta Insinöörivalinnan kemian koe MALLIRATKAISUT

RATKAISUT: 10. Lämpötila ja paine

PHYS-A0120 Termodynamiikka syksy 2017

Transkriptio:

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille] A) p 1, V 1, T 1 ovat paine tilavuus ja lämpötila tilassa 1 p 2, V 2, T 2 ovat paine tilavuus ja lämpötila tilassa 2 Lämpötila ilmoitetaan kelvin-asteina (K). Esim. puristetaan ilmaa sylinterissä (pumppaaminen polkupyörän pumpulla) p 1 V 1 T 1 p 2 V 2 T 2 B) p = paine, V = tilavuus, T = lämpötila kelvin-asteina (K), R = moolinen kaasuvakio (MAOL s. 70 (71));,, n = ainemäärä (mol), (MAOL s. 138-139 (130-131))

n = ainemäärä (mol), m = massa (g), M = moolimassa (g/mol). Esimerkiksi 28 g typpikaasua N2 on mooleina,/ 2,0. Alkuaineiden suhteelliset atomimassat on taulukossa (MAOL s. 169-171 (161-163)). Typen suhteellinen atomimassa on 14,01. IDEAALIKAASUN TILANMUUTOKSET: 1) Isoterminen prosessi: 2) Isobaarinen prosessi: 3) Isokoorinen prosessi: lämpötila T = vakio paine p = vakio tilavuus V = vakio -kuvaaja: isotermi -kuvaaja: isobaari -kuvaaja: isokoori Boylen laki Gay-Lussacin laki Charlesin laki Kaasulait toteutuvat tarkasti vain ideaalikaasuilla, joka on malli luonnon kaasuista, reaalikaasuista. Reaalikaasut noudattavat tilanyhtälöitä sitä paremmin, mitä alhaisempi paine, pienempi tiheys ja korkeampi lämpötila niillä on. Kaasujen normaalitilassa, NTP-tilassa, lämpötila T o = 273,15 K, t = 0 o C ja paine p o = 101325 Pa = 1,01325 bar (normaali ilmanpaine), (MAOL s. 70 (71)). Kaasut esiintyvät yleensä kaksiatomisina molekyyleinä; H 2, N 2, O 2, poikkeuksena jalokaasut, jotka ovat yksiatomisia kaasuja; He, Ne, Ar,

Avogadron laki: Samassa lämpötilassa ja paineessa yhtä suuret tilavuudet eri kaasua sisältävät yhtä monta molekyyliä ja siis yhtä monta moolia kaasua. 1 mooli kaasua: - sisältää Avogadron vakion verran kaasun molekyylejä (tai atomeja) 6,0221367 10 1/. (MAOL s. 70 (71)). - on molekyylipainon (atomipainon) osoittama grammamäärä ainetta - vie tilavuuden V m = 22,41410 10-3 m 3 /mol (Ideaalikaasun moolitilavuus NTP-tilassa), V m 22,414 dm 3 /mol. (MAOL s. 70 (71)). Ainemäärä n voidaan laskea eri tavoin: 1) 2) 3) n = ainemäärä (mol) n = ainemäärä (mol) n = ainemäärä (mol) m = massa (g) V = tilavuus (dm 3 ) N = hiukkasmäärä M = moolimassa (g/mol) Vm = ideaalikaasun NA = Avogadron vakio moolitilavuus 6,0221367 10 1/ Vm = 22,41410 10-3 m 3 /mol (MAOL s. 70 (71)) (MAOL s. 70 (71)) Kaasun tiheys: (NTP) [ks. MAOL s. 70 (71), 138-139 (130-131)] Kineettisen kaasuteorian perusoletukset ideaalikaasulle Kineettisen kaasuteorian perusta on mekaaninen ideaalikaasu, joka on matemaattinen malli kaasulle. Reaalikaasu on todellinen kaasu. Reaalikaasu käyttäytyy ideaalikaasun tavoin, kun lämpötila on korkea ja paine alhainen. Huoneenlämpötilassa ja paineessa useimmat reaalikaasuja (esim. ilma) voidaan tarkastella ideaalikaasuina.

Ideaalikaasumallin perusoletukset: 1) Kaasut koostumat pistemäisistä hiukkasista (atomit, molekyylit), joiden tilavuus kaasujen tilanyhtälöitä johdettaessa oletetaan nollaksi. Rakenneosat eivät vaadi tilaa ja niillä ei ole mitään hienorakennetta. 2) Kaasun hyvin pienet rakenneosaset ovat jatkuvassa satunnaisessa liikkeessä, joka on suoraviivaista ja nopeaa. Rakenneosasten liikeradat ovat törmäysten vuoksi murtoviivoja ( sik-sak-ratoja ). Toisiinsa ja astian kohdistuvien törmäysten välillä rakenneosaset liikkuvat suoraviivaisesti jatkavuuden lain mukaan. Mikään liikesuunta ei ole erikoisasemassa, vaan hiukkaset liikkuvat törmäysten johdosta kaikkiin suuntiin yhtä todennäköisesti. 3) Rakenneosaset törmäilevät toisiinsa ja säiliön seiniin. Paine aiheutuu rakenneosasten törmäyksistä astian seinämiin. Törmäykset ovat täysin kimmoisia ja ne noudattavat mekaniikan lakeja. Hiukkasten nopeudet ja liikesuunnat muuttuvat törmäyksissä, mutta liikemäärä ja liike-energia säilyvät. 4) Törmäysten lisäksi rakenneosasilla ei ole mitään muuta keskinäistä tai ympäristöön suuntautuvaa vuorovoikutusta. 5) Kaasun käytettävissä oleva tilavuus eli astian tilavuus on paljon suurempi kuin kaasun oma tilavuus. 6) Kaasuhiukkasten keskimääräinen liike-energia riippuu ainoastaan niiden absoluuttisesta lämpötilasta T ja on siihen suoraan verrannollinen (Ek ~ T);. Mitä korkeampi lämpötila on, sitä nopeammin rakenneosaset liikkuvat. T = absoluuttinen lämpötila (K), on kaasumolekyylien keskimääräinen nopeus ja k = Boltzmannin vakio.

Tehtäviä: 1) Huoltoasemalla mitattiin auton renkaan paineeksi 2,0 bar, kun lämpötila oli +8,0 o C. Vallitseva normaali ilmanpaine oli 1,0 bar. Mikä paine on renkaassa, kun lämpötila nousee +35 o C:seen? Mitä painelukemaa mittari tällöin näyttää? Huomaa, että painemittari näyttää ylipainetta ilmanpaineeseen nähden. 2) Veden lämpötila on 25 metrin syvyydessä 6,0. Kaasukupla, jonka tilavuus on 5,0 mm 3, nousee pintaan. Kuinka suuri kupla on juuri ennen pintaa, jossa veden lämpötila on 13? Oletetaan, että kaasukupla nousee sen verran hitaasti, että vesi ehtii lämmittää sen. 3) Kuinka suuri paine vallitsevan vappupallon sisällä, kun pallossa olevan heliumin massa on 3,0 g ja tilavuus 14 litraa 15 o C lämpötilassa? 4) a) Kuinka monta kaasumolekyyliä on 1,00 cm 3 :ssä ilmaa NTP:ssä? b) Määritä kyseisen ilmamäärän massa. Yksi mooli ilmaa on 29,0 g. 5) Miksi 0 K = -273,15 o C on alin mahdollinen lämpötila? Perustele.

Tehtävien ratkaisut: 1) 2,0 + 1,0 = 3,0 = 8,0 + 273,15 = 281,15 =? = 35 + 273,15 = 308,15 Oletus: renkaan tilavuus V ei muutu: V 1 = V 2 = V on vakio = = : V = T2 = =,,, 3,29 3,3 absoluuttinen paine Mittari näyttää ylipainetta ilmanpaineeseen nähden, joten painemittarin lukema on 3,3 bar 1,0 bar = 2,3 bar. Vastaus: Renkaan paine on 3,3 bar ja mittarin lukema on 2,3 bar. 2) Veden tiheys on 1000 kg/m 3. Olosuhteet 25 metrin syvyydellä ovat: 6,0 + 273,15 = 279,15 = 5,0 = + h = 101325 + 1000 9,81 25 = 346 575. Olosuhteet pinnassa ovat: = 13 + 273,15 = 286,15 = = 101325. =? Ideaalikaasun tilanyhtälön mukaan josta saadaan kuplan tilavuus = = 17,53 18. = =,., Vastaus: Kaasukuplan tilavuus veden pinnalla on 18 mm 3.

3) Pullossa olevan heliumin massa m = 3,0 g Tilavuus V = 14 dm 3 Lämpötila 15 + 273,15 = 288,15. Helium on yksiatominen jalokaasu, jonka suhteellinen atomimassa on 4,00. Heliumin moolimassa = 4,0 / Pallossa olevan heliumkaasun ainemäärä = =, = 0,75 =?, Ideaalikaasun tilanyhtälön mukaan =, josta saadaan paineelle lauseke = =,,, 1,283 = 1,3 = 1,3 10 = 0,13 Vastaus: Vappupallon sisällä oleva paine on 0,13 MPa. 4) a) Ilma noudattaa kaasujen tilanyhtälöä. Ilman ainemäärä on ja molekyylien lukumäärä on = = = =,,,,, 2,6867626 10. Vastaus: 2,68 10 19 molekyyliä.

TAI TOISIN: = = = = R = kn A = =,,,, = =,,,, 2,687 10. Vastaus: 2,68 10 19 molekyyliä. b) Moolien määrä = 2,6867626 1019 = 6,0221367 10 23 1 = 4,46148. Yhden moolin massa ilmaa on 29,0 g, joten kyseisen ilmamäärän massa on NTP:ssä on = = = 4,46148 29,0 = 1,29 10. Vastaus: 1,29 10-6 kg. = 1,29 10 *************************************************************************************** Lämpötilalla ei ole ylärajaa, mutta alaraja on olemassa. Alin mahdollinen lämpötila on absoluuttinen nollapiste, kelvinasteikon toinen peruspiste, 0K eli -273,15 o C. Lämpöopin 3. pääsääntö sanoo, että absoluuttista nollapistettä ei voida saavuttaa. ******************************************************************************** 5) Miksi 0 K = -273,15 o C on alin mahdollinen lämpötila? Perusteluja: Jos lämpötila voisi olla alle 0 K = -273,15 o C 1) Kaasujen tilavuus olisi negatiivinen: Kaasun tilavuus V lämpötilassa t on 1 + = 1 + =. Tilavuus negatiivinen: V < 0, jos t < -273 o C eli T < 0 K. 2) Kaasumolekyylien liike-energia ja nopeus olisi negatiivinen: Termodynaaminen lämpötila =, missä on molekyylien keskimääräinen liike-energia, k = Boltzmannin vakio ja on kaasumolekyylien nopeuksien keskiarvo. Huom!.

Kuva 1. Eri kaasumäärien isobaarisen tilanmuutoksen kuvaajia (t,v)-koordinaatistossa. Kuvaajia on jatkettu kaasujen nesteytymisalueelle (katkoviiva), jossa ne leikkaavat samassa pisteessä, absoluuttisessa nollapisteessä: -273,15 = 0 K. Kuva 2. Isobaareja (T,V)-koordinaatistossa. Kineettistä kaasuteoriaa: ks. http://www.kotiposti.net/ajnieminen/kika.pdf