7. Kaasun tilanmuutos vakiolämpötilassa Flashcards
Kerro kaasuista.
Kaasu on yksi aineen kolmesta olomuodosta. Kiinteisiin aineisiin tai nesteisiin verrattuna, kaasun rakenneosaset, kaasumolekyylit, ovat kaukana toisistaan ja liikkuvat nopeasti. Kaasu leviää tasaisesti joka suuntaan täyttäen siten suljetussa astiassa koko tilan. Vaikka useat kaasut ovat ilmaa kevyempiä, painovoima vaikuttaa myös kaasumolekyyleihin –> ilmaa painavammat kaasut, kuten hiilidioksidi painuvat alas.
HUOM! Kaasun lämpötila ilmoitetaan aina kelvineinä eli termodynaamisina lämpötiloina.
Mikä ideaalikaasu on?
Ideaalikaasu on teoreettinen malli kaasusta. Ideaalikaasumallissa oletetaan, että kaasu koostuu keskenään samanlaisista pistemäisistä rakenneosasista, kaasumolekyyleistä, jotka liikkuvat tasaisella nopeudella suoraviivaisia ratoja satunnaisiin suuntiin. Kaasumolekyylit vaihtavat kulkusuuntaansa ainoastaan törmäyksissään toisiinsa ja säiliön seinämiin. Törmäykset ovat kimmoisia, eli kaasun etenemiseen liittyvä liike-energia säilyy törmäyksissä samana. Törmäysten lisäksi muita vuorovaikutuksia ei ole.
Miten reaalikaasu eroaa ideaalikaasusta?
Mikään todellinen kaasu, reaalikaasu, ei täytä tarkalleen ideaalikaasun oletuksia. Todellisuudessa kaikilla kaasumolekyyleillä on aina tilavuus. Kaasumolekyylien törmäykset eivät myöskään ole kimmoisia, sillä törmäyksissä molekyylit voivat alkaa pyöriä tai värähdellä. Reaalikaasuissa on lisäksi virtauksia ja kaasumolekyyleihin kohdistuvat sähköiset voimat ja painovoima voivat myös muuttaa niiden liikettä.
Kuitenkin useimmat reaalikaasut käyttäytyvät sopivissa olosuhteissa lähes ideaalikaasun tavoin. Mitä pienempi reaalikaasun paine on, ja toisaalta mitä korkeampi on sen lämpötila, sitä paremmin ideaalikaasumalli kuvaa kaasun käyttäytymistä. Monia kaasuja voidaankin tarkastella ideaalikaasumallin avulla normaalissa ilmanpaineessa ja huoneenlämpötilassa.
Mitä kaasulait ovat? Mihin niissä keskitytään?
Termodynaamisen systeemin tilaa voidaan kuvata tilanmuuttujien avulla. Tilanmuuttujia ovat paine p, lämpötila T, tilavuus V ja ainemäärä n. Jos yhtä tilanmuuttujaa muutetaan, muttuu myös aina jokin toinen tilanmuuttuja. Esimerkiksi kaasun lämpötilan muuttuminen voi vaikuttaa myös kaasun tilavuuteen ja paineeseen.
Kaasulait kertovat, miten tilanmuuttujat riippuvat toisistaan. Kaasulaeissa keskitytään erityisesti lämpötilan, paineen ja tilavuuden välisiin yhteyksiin. Yksi suureista valitaan vakioksi, jonka jälkeen kahden muun suureen keskinäistä yhteyttä päästään tarkastelemaan. Esim. paineen ja tilavuuden välistä yhteyttä tarkasteltaessa lämpötila pidetään vakiona.
Miten virvoitusjuomapullon paine vaikuttaa sen kovuuteen?
Kun virvoitusjuomapullon korkki on kiinni, virvoitusjuomassa oleva hiilidioksidi aiheuttaa pulloon suuren paineen. Tämän vuoksi pullo tuntuu puristettaessa kovalta.
Kun virvoitusjuomapullon korkki avataan, hiilidioksidia vapautuu ja paine pullon sisällä laskee. Tällöin se tuntuu puristettaessa pehmeältä.
Kerro Boylen laista.
Kun suljetun kaasusäiliön tilavuutta pienennetään isotermisesti, kaasun paine kasvaa. Jos säiliön tilavuutta vastaavasti suurennetaan, kaasun paine pienenee.
Kokeellisesti voidaan osoittaa, että paineen ja tilavuuden tulo pysyy isotermisessa prosessissa vakiona. Paine ja tilavuus ovat siten kääntäen verrannollisia.
Paineen p ja tilavuuden V välinen riippuvuus voidaan ilmoittaa kaasulakina pV=vakio. Paineen ja tilavuuden välistä kaasulakia kutsutaan myös Boylen laiksi.
HUOM! Laskiessa pV=vakio. ilmoitetaan p1V1=p2V2.
Miten polkupyörän pumppaaminen toimii?
Polkupyörän pumpun avulla ilmaa voidaan puristaa pienempään tilavuuteen. Samalla ilman tiheys ja paine kasvavat. Kun pumppaaminen tehdään hitaasti, ilma käyttäytyy ideaalikaasun tavoin, eikä sen lämpötila merkittävästi nouse. Polkupyörän pumpun sylinterissä tapahtuu tilanmuutos, jossa ilman tilavuus pienenee ja samalla paine kasvaa. Kun paine pumpussa on noussut suuremmaksi kuin paine polkypyörän renkaassa, renkaan venttiili päästää ilman virtaamaan renkaaseen.
Mitä tarkoitetaan isotermisella prosessilla?
Usein tilanmuutos tapahtuu kahden tilanmuuttujan välillä. Kun tilanmuutoksessa lämpötila pysyy vakiona, on kyseessä isoterminen prosessi. Isotermisessa prosessissa siten systeemin tilavuus ja paine muuttuvat, mutta lämpötila pysyy vakiona.
Kun isotermista prosessia kuvataan(V, p) - koordinaatistossa, saadaan käyrä, jota kutsutaan isotermiksi. Mitä lämpimämpää suljetussa astiassa oleva kaasu on, sitä jyrkemmin isotermi kulkee.
