Što je R plinska konstanta?

Osnovna konstanta u termodinamici, plinska konstanta (označena kao R), koristi se za međusobno povezivanje karakteristika plinova. Zakon o idealnom plinu, koji specificira

,kako se savršeni plinovi ponašaju, ima referencu na to. Prema zakonu o idealnom plinu, odnos između tlaka, volumena i temperature idealnog plina proporcionalan je broju prisutnih molova (n) plina, pri čemu R služi kao konstanta proporcionalnosti.

Ovisno o odabranoj metodi mjerenja, R se izražava u raznim jedinicama. J/(mol K) i L/(mol K) dvije su najpopularnije jedinice. R označava plinsku konstantu u prvom slučaju u džulima po mol-kelvinu, au kasnijem slučaju u litrama-atmosferama po mol-kelvinu.

Ostale fundamentalne konstante, kao što su Avogadrov broj (Na) i Boltzmannova konstanta (k), mogu se koristiti za određivanje vrijednosti R. U terminima koji nisu SI, R je približno ekvivalentan 0,0821 Latm/(molK), ali u SI jedinicama , približno je ekvivalentno 8,314 J/(molK).

Kada koristiti R = 8,314 J/(mol�K)

a. Energetske jedinice

R = 8,314 J/(molK) treba koristiti kada se radi o energetskim jedinicama mjerenim u džulima, kao što je za izračunavanje promjena energije u reakciji ili topline prenesene tijekom procesa. Ova vrijednost omogućuje dosljednost u proračunima energije.

b. Molarne količine

Kada se govori o molarnim količinama kao što je broj molova plina ili molarna masa, koristi se R = 8,314 J/(molK). Ako se zakon o idealnom plinu ili druge termodinamičke jednadžbe koje uključuju molove izračunaju s ovim brojem, jedinice će se ispravno poništiti.

c. Jedinice temperature

R = 8,314 J/(molK) treba koristiti kada se koristi Kelvin (K) kao jedinica za temperaturu. Budući da je Kelvin apsolutna ljestvica s 0 koja ne predstavlja molekularno gibanje, to je omiljena temperaturna ljestvica u termodinamici. R = 0,0821 L atm/(mol K): Ovaj se omjer koristi pri pretvorbi između SI jedinica i ne-SI jedinica, posebno kada se uspoređuju mjerenja tlaka i volumena. Ova jedinica R definirana je u litrama-atmosferama po mol-kelvinu.

Kada koristiti R = 0,0821 L�atm/(mol�K):

a. Jedinice volumena

Prikladno je koristiti R = 0,0821 Latm/(molK) kada radite s jedinicama volumena u litrama (L), kao što je za izračunavanje gustoće plina ili mjerenje volumena plina. Kada se kao jedinica volumena koriste litre, ova vrijednost jamči postojanost.

b. Jedinice tlaka

Kada se kao jedinica tlaka koriste atmosfere (atm), R = 0,0821 L/(molK). Inženjerske i industrijske aplikacije gdje je atm odabrana jedinica tlaka često koriste ovu vrijednost.

c. Zakon idealnog plina u jedinicama koje nisu SI

Prikladno je koristiti R = 0,0821 Latm/(molK) kako bi jednadžba zakona idealnog plina (PV = nRT) bila dosljedna dok se za tlak (atm) i volumen (L) koriste jedinice koje nisu SI.

Na odabir R vrijednosti utječu jedinice koje su korištene u procesu izračunavanja ili rješavanja problema, važno je to zapamtiti. Kako biste točno i smisleno kombinirali različite jednadžbe ili brojeve, bitno je osigurati da su jedinice dosljedne.

Kroz zakon idealnog plina, moguće je povezati svojstva plinova s ​​plinskom konstantom, R. Mjerne jedinice koje se koriste utječu na vrijednost R. Kada se radi o jedinicama energije, molarnim količinama i Kelvinovoj temperaturi, vrijednost 8,314 J/(molK) koristi se u SI jedinicama. U ne-SI jedinicama, posebno kada se radi o litrama, atmosferama i mol K, koristi se vrijednost 0,0821 L atm/mol K.

Primjene R plinske konstante

Neke od ključnih primjena plinske konstante.

Zakon o idealnom plinu

Zakon o idealnom plinu, koji određuje kako se idealni plinovi ponašaju, nije potpun bez plinske konstante. PV = nRT je jednadžba za zakon idealnog plina, gdje je P tlak, V volumen, n molovi plina, T temperatura, a R plinska konstanta.

U mnogim granama znanosti i tehnike ova se jednadžba često koristi jer nam omogućuje povezivanje osnovnih karakteristika plinova, kao što su tlak, volumen, temperatura i broj molova.

Stehiometrija plina

Stehiometrija plina, koja ispituje kvantitativne korelacije između reaktanata i proizvoda u kemijskim reakcijama, uvelike ovisi o plinskoj konstanti.

Lako je odrediti koliko je reaktanata ili proizvoda uključeno u reakciju korištenjem zakona o idealnom plinu i ideje o molarnom volumenu, što je volumen koji zauzima jedan mol plina pri određenoj temperaturi i tlaku. Ovo je posebno korisno u područjima kao što su kemijsko inženjerstvo i proizvodnja gdje je točna kontrola nad količinama reaktanata bitna.

Termodinamika

Plinska konstanta pojavljuje se u nizu jednadžbi i odnosa u termodinamici. Kao što je prikazano jednadžbom U = nCvT, gdje je Cv molarni specifični toplinski kapacitet pri konstantnom volumenu, koristi se, na primjer, za izračunavanje promjene unutarnje energije (U) sustava.

Varijacije entropije (S) i entalpije (H) plinova također se izračunavaju pomoću plinske konstante. U istraživanju prijenosa energije i izboru parametara sustava, ovi su termodinamički koncepti ključni.

Zakoni o plinu

Ključna komponenta nekoliko plinskih zakona, koji objašnjavaju veze između različitih svojstava plina, je plinska konstanta. Plinski zakoni uključuju Boyleov zakon (PV = konstanta), Charlesov zakon (V/T = konstanta) i Avogadrov zakon (V/n = konstanta). Ova načela, zajedno sa zakonom o idealnom plinu, omogućuju znanstvenicima i inženjerima predviđanje ishoda i rješavanje problema povezanih s plinom u različitim postavkama.

Pravi plinovi

Dok zakon o idealnom plinu pretpostavlja da se plinovi ponašaju optimalno, stvarni plinovi se ne ponašaju uvijek tako, osobito pri visokim tlakovima i niskim temperaturama. Van der Waalsova jednadžba, varijacija zakona o idealnom plinu koja uzima u obzir međumolekulske sile i konačnu veličinu molekula plina, koristi plinsku konstantu.

Točniju ilustraciju stvarnog ponašanja plina daje Van der Waalsova jednadžba. Plinska konstanta također je uključena u druge jednadžbe stanja, kao što su Redlich-Kwong jednadžba i Peng-Robinsonova jednadžba, kako bi se okarakteriziralo ponašanje neidealnog plina u različitim okolnostima.

Kinetička teorija plinova

Prema kinetičkoj teoriji plinova, makroskopske karakteristike plina povezane su s kretanjem i interakcijama njegovih sastavnih molekula. U nekoliko jednadžbi izvedenih iz kinetičke teorije, poput one za korijen srednje kvadratne brzine molekula plina (vrms = (3RT/M)), gdje je M molarna masa plina, koristi se plinska konstanta.

Razumijevanje koncepata poput difuzije, izljeva i provođenja topline zahtijeva razumijevanje ovih jednadžbi, koje nude uvide u ponašanje plinova na molekularnoj razini.

Energetski sustavi

Područje energetskih sustava i termodinamička analiza koriste plinsku konstantu. Koristi se u jednadžbama koje procjenjuju učinkovitost i funkcionalnost različitih sustava za pretvorbu energije, uključujući elektrane, motore s unutarnjim izgaranjem i rashladne sustave. Inženjeri mogu procijeniti i poboljšati energetsku učinkovitost takvih sustava uzimajući u obzir plinsku konstantu u ovim izračunima.

Idealna rješenja

Armstrongov broj

Plinska konstanta igra ulogu u proučavanju idealnih otopina, koje su smjese koje pokazuju idealno ponašanje slično idealnim plinovima. U kontekstu idealnih otopina, plinska konstanta koristi se u jednadžbama kao što su Raoultov zakon i Henryjev zakon, koje opisuju ponašanje hlapljivih otopljenih tvari u otapalima.

Ovi zakoni nalaze primjenu u područjima kao što su kemijsko inženjerstvo, farmaceutika i znanost o okolišu, gdje je ponašanje otopljenih tvari u otopinama ključno za razumijevanje njihovih svojstava i međudjelovanja.

Plinska kromatografija

Razdvajanje i analiza smjesa hlapljivih tvari provodi se upotrebom uobičajeno korištene analitičke tehnike poznate kao plinska kromatografija. U izračunima koji uključuju plinsku kromatografiju, plinska konstanta se koristi za uspostavljanje veze između temperature i vremena zadržavanja (količina vremena koju tvar provede u kromatografskoj koloni). Komponente prisutne u kombinaciji mogu se identificirati i kvantificirati na temelju njihovog trajanja zadržavanja poznavajući ovaj odnos.

Znanost o atmosferi

Kako bi razumjeli ponašanje i sastav Zemljine atmosfere, znanost o atmosferi ovisi o plinskoj konstanti. U jednadžbama koje objašnjavaju karakteristike zraka, poput zakona o idealnom plinu, koristi se za izračun elemenata poput gustoće zraka, tlaka i temperature.

Za razumijevanje atmosferskih procesa, poput vremenskih obrazaca, klimatskih promjena i disperzije onečišćenja zraka, plinska se konstanta također koristi u simulacijama i modelima.

Znanost o materijalima

Proučavanje faznih prijelaza i svojstava materijala koristi plinsku konstantu u znanosti o materijalima i inženjerstvu. Clausius-Clapeyronova jednadžba, koja povezuje tlak pare tvari s njezinom temperaturom tijekom faznih pomaka poput isparavanja ili kondenzacije, koristi ovaj koncept. Istraživači mogu istražiti i predvidjeti kako će se materijali ponašati u različitim scenarijima dodavanjem plinske konstante.

Kalibracija instrumenata

Različiti znanstveni instrumenti kalibrirani su pomoću plinske konstante. Plinska konstanta se, na primjer, koristi za prevođenje izmjerenih vrijednosti u odgovarajuće jedinice u plinskim senzorima i analizatorima. Nudi temeljni faktor pretvorbe koji povezuje električne signale koje registriraju instrumenti i fizičke karakteristike plinova, kao što su tlak i temperatura, s atributima tih signala.

Obrazovne aplikacije

U nastavi znanosti i inženjerstva, jedna od temeljnih ideja koja se podučava je plinska konstanta. Termodinamika, plinski zakoni i drugi srodni pojmovi mogu se razumjeti koristeći ovo kao temelj.

Razumijevanje upotrebe plinske konstante omogućit će učenicima da razumiju i riješe probleme koji se tiču ​​plinova i njihovog ponašanja, koji su ključni u disciplinama poput kemije, fizike i inženjerstva.