8.5 Tilstandslikninga for idealgass

Kapittel 8: Termofysikk

Under arbeid

Dette kapittelet skrives fortsatt.

For en idealgass er det en enkel sammenheng mellom trykk \(p\), volum \(V\) og absolutt temperatur \(T\). Vi bruker \(N\) for antall molekyler og \(k_\text{B}\) for Boltzmanns konstant:

Definisjon: Tilstandslikninga for idealgass

\[pV = N k_\text{B} T\] Alle fire størrelser \(p\), \(V\), \(N\), \(T\) er koblet: holder man to konstante, bestemmer de to andre hverandre.

Merk: Molform: \(pV = nRT\)

Er antall mol \(n\) gitt i stedet for antall molekyler \(N\), bruker man gassonstanten \(R = 8.314\,\mathrm{J}\,\mathrm{(}^{-1}\,\mathrm{mol}\,\mathrm{K}\,\mathrm{)}\): \(pV = nRT\). Sammenhengen er \(N k_\text{B} = n R\).

Eksempel 8.11: Oppvarming av gass i lukket beholder

En luftbobble med volum \(V_1 = 30\,\mathrm{dm}^{3}\) er ved trykk \(p_1 = 100\,\mathrm{kPa}\) og temperatur \(T_1 = 300\,\mathrm{K}\) (lukket beholder, \(V =\) konst.). Trykket økes til \(p_2 = 180\,\mathrm{kPa}\). Finn den nye temperaturen \(T_2\).

Siden \(N\) og \(V\) er konstante, gir tilstandslikninga: \[\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \implies T_2 = T_1 \cdot \frac{p_2}{p_1} = 300\,\mathrm{K} \cdot \frac{180\,\mathrm{kPa}}{100\,\mathrm{kPa}} = 540\,\mathrm{K} = \underline{\underline{267\,{}^{\circ}\mathrm{C}}}\]

Eksempel 8.12: Molekyler i en ballong

En ballong har volumet \(5.0\,\mathrm{L}\). Trykket i ballongen er \(1.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}\), og temperaturen er \(20\,^\circ\)C. Hvor mange molekyler er det i ballongen?

Vi gjør om til SI-enheter: \(V = 5.0\,\mathrm{L} = 5.0\cdot 10^{-3}\,\mathrm{m}^{3}\) og \(T = 20 + 273 = 293\,\mathrm{K}\). Vi løser tilstandslikninga for \(N\): \[N = \frac{pV}{k_\text{B}T} = \frac{1.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}\cdot5.0\cdot 10^{-3}\,\mathrm{m}^{3}}{1.38\cdot 10^{-23}\,\mathrm{J}\,\mathrm{K}^{-1}\cdot293\,\mathrm{K}} = 1.24\cdot 10^{23} \approx \underline{\underline{1.2\cdot 10^{23}}}\] Det er et enormt tall, selv for en liten ballong. Det tilsvarer omtrent \(0.2\) mol.

Sylindereksperiment

En gass i en sylinder har volum \(V_1 = 30\,\mathrm{dm}^{3}\), trykk \(p_1 = 100\,\mathrm{kPa}\) og temperatur \(T_1 = 300\,\mathrm{K}\). Stempelet beveger seg slik at gassen utvider seg ved konstant trykk (isobart), helt til temperaturen er \(T_2 = 600\,\mathrm{K}\).

  1. Hva er det nye volumet \(V_2\)?

  2. Hva skjer med den indre energien til gassen? Må gassen få tilført varme?

a) Antall molekyler og trykket er konstant. Tilstandslikninga \(pV = Nk_\text{B}T\) gir da at \(V/T\) er konstant: \[\frac{V_1}{T_1} = \frac{V_2}{T_2} \quad\implies\quad V_2 = V_1\cdot\frac{T_2}{T_1} = 30\,\mathrm{dm}^{3}\cdot\frac{600\,\mathrm{K}}{300\,\mathrm{K}} = \underline{\underline{60\,\mathrm{dm}^{3}}}\]

b) Den absolutte temperaturen dobles, og dermed dobles også den gjennomsnittlige kinetiske energien til molekylene. Den indre energien øker, \(\Delta U > 0\).

Samtidig utvider gassen seg og skyver stempelet ut. Gassen gjør altså arbeid på omgivelsene, og \(W < 0\) i termodynamikkens 1. lov. Da gir \[Q = \Delta U - W\] at \(Q\) er positiv og større enn \(\Delta U\). Gassen må få tilført varme: noe av varmen øker den indre energien, og resten går med til arbeidet på stempelet.

Bildekk om vinteren

Et bildekk blir fylt med luft i en garasje som holder \(20\,^\circ\)C. Det absolutte trykket i dekket er da \(3.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}\), og volumet av lufta i dekket er \(0.030\,\mathrm{m}^{3}\). Så kjøres bilen ut i kulda, der det er \(-15\,^\circ\)C. Anta at volumet av dekket ikke endres.

  1. Hvor mange luftmolekyler er det i dekket?

  2. Hva blir det absolutte trykket i dekket når lufta har fått samme temperatur som omgivelsene?

  3. En dekktrykkmåler viser overtrykket, altså forskjellen mellom trykket i dekket og lufttrykket utenfor, \(p_0 = 1.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}\). Hva viser måleren før og etter? Hvor mange prosent har overtrykket sunket?

Temperaturene i kelvin er \(T_1 = 20 + 273 = 293\,\mathrm{K}\) og \(T_2 = -15 + 273 = 258\,\mathrm{K}\).

a) Vi løser tilstandslikninga for \(N\): \[N = \frac{p_1V}{k_\text{B}T_1} = \frac{3.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}\cdot0.030\,\mathrm{m}^{3}}{1.38\cdot 10^{-23}\,\mathrm{J}\,\mathrm{K}^{-1}\cdot293\,\mathrm{K}} = \underline{\underline{2.2\cdot 10^{24}}}\]

b) \(N\) og \(V\) er konstante, så \(p/T\) er konstant: \[\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2} \quad\implies\quad p_2 = p_1\cdot\frac{T_2}{T_1} = 3.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}\cdot\frac{258\,\mathrm{K}}{293\,\mathrm{K}} = 2.64\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} \approx \underline{\underline{2.6\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}}}\]

c) Før: \(p_1 - p_0 = 3.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} - 1.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} = \underline{\underline{2.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}}}\).

Etter: \(p_2 - p_0 = 2.64\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} - 1.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} = 1.64\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} \approx \underline{\underline{1.6\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}}}\).

Overtrykket har sunket med \[\frac{2.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa} - 1.64\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}}{2.0\cdot 10^{5}\,\mathrm{Pa}} = 0.18 = \underline{\underline{18\,\%}}\] Det absolutte trykket sank bare med omtrent \(12\,\%\), men måleren viser overtrykket, og det synker mer. Derfor bør man sjekke dekktrykket når det blir kaldt.