RATKAISUT: 11. Kaasujen tilanyhtälö
Transcription
RATKAISUT: 11. Kaasujen tilanyhtälö
Physica 9 RATKAISUT 1. painos 1(6) 11. Kaasujen tilanyhtälö RATKAISUT: 11. Kaasujen tilanyhtälö 11.1 a) Termodynaaminen systeemi siirtyy tilasta toiseen. Tilanmuutos tapahtuu, kun yksikin tilanmuuttujan arvo muuttuu. b) Teoreettinen mallikaasu. Ideaalikaasu noudattaa tilanyhtälöä kaikissa olosuhteissa. c) Tilanmuutos, joka tapahtuu niin, että lämpötila pysyy vakiona. d) Tilanmuutos, joka tapahtuu niin, että paine pysyy vakiona. e) Tilanmuutos, joka tapahtuu niin, että kaasun tilavuus pysyy vakiona. f) Kineettinen kaasuteoria kuvaa makroskooppisen kaasumäärän painetta ja lämpötilaa mikroskooppisten rakenneosien liikkeiden avulla. Kineettisessä kaasuteoriassa kaasun ominaisuuksia selitetään hiukkasmallin avulla. 11.2 Alkuarvot Tila 1: kaasun tilavuus V1 = 45 dm3 ja paine p2 = 110 bar Tila 2: tilavuus V2 = ? ja normaalipaine p2 = 1013 hPa = 1013 mbar . Tilanmuutoksen aikana lämpötila pysyy vakiona, joten Boylen lain pV = vakio mukaan p1V1 = p2V2 , josta V2 = p1V1 110 bar ⋅ 45dm3 = = 4 886, 48dm3 ≈ 4 900 litraa. p2 1, 013bar Vastaus: Kaasu vaatii 4 900 dm3 tilaavuuden normaalipaineisena. 11.3 a) Alkutila: V1 = 85 cm3 T1 = (20 + 273,15) K = 293,15 K p1 = 1013 hPa Lopputila: V2 = 21,25 cm3 T2 = (24 + 273,15) K = 297,15 K p2 = ? Kaasunmäärä pumpussa pysyy vakiona. Ilma käyttäytyy ideaalikaasun tavoin näissä olosuhteissa, joten se noudattaa kaasujen yleistä tilanyhtälöä pV = vakio . T Tilanyhtälö saa nyt muodon p2 = p1V1 p2V2 , josta loppupaine on = T1 T2 p1V1T2 1013 ⋅102 Pa ⋅ 85 cm3 ⋅ 297,15 K = = 4107, 289 ⋅102 Pa ≈ 4100 hPa. 293,15 K ⋅ 21,25 cm3 TV 1 2 Vastaus: Paine pumpussa on 4100 hPa. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 2(6) 11. Kaasujen tilanyhtälö 11.4 Lasketaan lämpötilat kevineinä. Alkutila huoneen lämpötilassa: pulloon lisättävä ilmamäärä ΔV1 = ? T1 = (21 + 273,15) K = 294,15 K p1 = 1013 hPa V2 = 1,5 l Lopputila: T2 = (50 + 273,15) K = 323,15 K p2 = ? a) Pullossa olevan ilman tilavuus pysyy vakiona, joten Charlesin lain p = vakio mukaan T p1 p2 , = T1 T2 josta lämmenneen pullon paine p2 = p1T2 1 013 hPa ⋅ 323,15 K = T1 294,15 K = 1112,87 hPa ≈ 1100 hPa. b) Lasketaan, kuinka paljon huoneenlämpöistä ja normaalipaineista ilmaa on lisättävä pulloon, jotta pullon paine kasvaa 1 112,87 hPa:n paineeseen. Koska lämpötila on vakio, niin Boylen lain mukaan p1V1 = p2V2 , josta pulloon puristettavan kaasun tilavuus V1 = = p2V2 p1 1112,87 hPa ⋅1,5 l 1 013 hPa = 1, 6479 l. Pulloon olisi lisättävä normaalipaineista ilmaa ΔV1 = 1, 6479 l − 1,5 l = 0,1479 l ≈ 0,15 l. Vastaus: a) Paine pullossa on 1100 hPa. b) Pulloon olisi lisättävä ilmaa 0,15 l. 11.5 Painepullo tyhjenee niin kauan, kunnes pullon paine ja ulkoinen paine ovat yhtä suuret. Lasketaan kokonaispaine 20 metrin syvyydellä pkok = p0 + ρ hg = 1013 ⋅102 Pa + 1000 kg m ⋅ 20 m ⋅ 9,81 2 3 m s = 2975, 0 ⋅102 Pa. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT Alkutila: 1. painos 3(6) 11. Kaasujen tilanyhtälö V1 = 6,8 l p1 = 21 MPa Lopputila: V2 P2 = 29750 hPa Oletetaan lämpötila samaksi sekä veden pinnalla että 20 m syvyydellä, jolloin voidaan tarkastella tilanmuutosta Boylen lain pV = vakio, avulla, joten p1V1 = p2V2 . Lasketaan kaasun tilavuus loppupaineisena V2 = = V1 p1 p2 6,8 dm3 ⋅ 21 ⋅106 Pa 2975, 0 ⋅102 Pa = 480 dm3 . Koska pulloon jää ilmaa 6,8 dm3, paineilmapullosta saadaan kaasua 480 l − 6,8 l = 473, 2 l ≈ 470 l. Vastaus: Ulospurkautuvan ilman tilavuus on 470 dm3. 11.6 a) Pullo suljetaan lentokoneen alipaineisessa tilassa ja tuodaan maanpinnalle normaaliin ilmanpaineen tilaan. Pullon sisätilan ja ulkopuolen välillä on paine-ero. Paine-erosta aiheutuva voima rutistaa pullon kasaan. b) Kun pakastinkaapin ovi on auki, pakastimeen virtaa huoneenlämpöistä ilmaa. Oven sulkemisen jälkeen kaapin sisällä olevan ilman määrä pysyy vakiona, mutta sen paine pienenee ilman lämpötilan laskiessa. Pakastimen sisätilan ja ulkopuolen välille syntyy paine-ero, josta aiheutuva voima painaa ovea kiinni. Koska pakastinkaapin ovi ei ole täysin ilmatiivis, ilma pääsee virtaamaan kaappiin, joten paine-ero häviää jonkin ajan kuluttua. c) Veden pinta nousee sangossa, kun sanko viedään syvemmälle. Veden pinnan taso määräytyy siitä, että sangossa olevan ilmataskun paine on yhtä suuri kuin veden paine sangossa olevan veden pinnan tasolla. Boylen lain mukaan ilman tilavuus pienenee paineen noustessa. d) Laki pätee tarkasti vain ideaalikaasulle. Ideaalikaasu on mallikaasu, jossa on oletettu muun muassa, että molekyylien välillä ei ole vuorovaikutuksia ja molekyylit ovat pistemäisiä. Todellisten kaasujen atomeilla ja molekyyleillä on aina jokin koko ja niiden välillä vaikuttaa vuorovaikutuksia. Ideaalikaasu kuvaa todellisen kaasun käyttäytymistä hyvin, jos kaasun paine on pieni. Jos todellisen kaasun paine on suuri ja lämpötila matala, sen käyttäytyminen poikkeaa ideaalikaasun käyttäytymisestä. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 4(6) 11. Kaasujen tilanyhtälö 11.7 Oven sulkemisen jälkeen kaapin sisällä olevan ilman määrä pysyy vakiona. Ilma käyttäytyy ideaalikaasun tavoin näissä olosuhteissa, joten se noudattaa kaasujen yleistä tilanyhtälöä pV = vakio . T T1 = (–1,0 + 273,15) K = 272,15 K Alkutila: p1 = 1013 hPa T2 = (–13 + 273,15) K = 260,15 K Lopputila: p2 = ? Ilman tilavuus on vakio, joten tilanyhtälö saa nyt muodon p1 p2 = , T1 T2 josta loppupaine on p2 = p1T2 1 013 ⋅102 Pa ⋅ 260,15 K = T1 272,15 K = 9, 6833 ⋅105 Pa. Paine-ero pakasteen ulko- ja sisäpuolen välillä on Δp = p1 − p2 = 1 013 ⋅102 Pa − 968,33 ⋅102 Pa = 4 466, 6 Pa ja paine-erosta aiheutuva voima, jolla ovi puristuu kiinni on FΔp = ΔpA = 4 466, 6 Pa ⋅1, 2 m ⋅ 0, 6 m = 3 215,991 N. Oven avaamiseen tarvittava voima saadaan pyörimisen tasapainoehdosta ∑ M = 0 Fs − FΔp d =0 2 Fs = FΔp d 2 F= FΔp d 2s = 3 215,991 N ⋅ 0,6 m = 1 754,177 N ≈ 1,8 kN. 2 ⋅ 0,55 m Vastaus: Oven avaamiseen tarvitaan 1,8 kN:n suuruinen voima. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 5(6) 11. Kaasujen tilanyhtälö 11.8 Alkuarvot: paineilmapullon tilavuus V = 11, 0 l alkutilanne T1 = (21 + 273,15) K = 294,15 K, p1 = 111 kPa, lopputilanne T2 = (42 + 273,15) K = 315,15 K, p2 = 21, 0 MPa, ilman moolimassa M = 29, 0 g mol kysytään lisätyn ilman massaa Δm = ? Ainemäärän määritelmän n = mi perusteella kaasupulloon lisätyn ilman massa on Mi Δm = m2 − m1 = n2 M − n1 M = (n2 − n1 ) M . Ideaalikaasun tilanyhtälöstä pV = nRT voidaan ratkaista ainemäärä n1 ennen täyttöä ja ainemäärä n2 täytön jälkeen n1 = n2 = p1V 111 ⋅103 Pa ⋅11, 0 ⋅10−3 m3 = = 0, 4992715 mol J RT1 8,314 ⋅ 294,15 K mol ⋅ K p2V 21, 0 ⋅106 Pa ⋅11, 0 ⋅10−3 m3 = = 88,162653 mol J RT2 8,314 ⋅ 315,15 K mol ⋅ K Lasketaan pulloon lisätyn ilman massa Δm = (n2 − n1 ) M = (88,162653 mol − 0, 4992715 mol) ⋅ 29, 0 g mol = 2542, 2381 g ≈ 2,54 kg. Vastaus: Pulloon lisättiin ilmaa 2,54 kg. 11.9 männän poikkileikkausala A = 210 cm 2 kuorma männän päällä mk = 45 kg ilman määrä sylinterissä mi = 8, 0 g ja ilman moolimassa M i = 29, 0 g , mol lämpötila alussa T1 = (20 + 273,15) K = 293,15 K lämpötila lopussa T2 = (95 + 273,15) K = 368,15 K ilmanpaine p0 = 1, 0 bar = 1, 0 ⋅105 Pa Kun ΔV on lämpenemisestä aiheutunut ilman tilavuuden muutos sylinterissä, männän nousukorkeus on h = ΔV . A Suljetussa systeemissä kaasun käyttäytymistä kuvaa tilanyhtälö pV = nRT , jossa n = mi on ilman ainemäärä. Mi © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät Physica 9 RATKAISUT 1. painos 6(6) 11. Kaasujen tilanyhtälö Kun paine pysyy vakiona, tilanyhtälöstä seuraa pΔV = mi R ΔT . Mi Paine sylinterissä on ilmanpaineen p0 ja kuorman painosta aiheutuvan paineen summa m g p = p0 + k = 1, 0 ⋅105 Pa + A m s 2 = 1, 21⋅105 Pa. 2 45 kg ⋅ 9,81 0, 021 m Ja nousukorkeus on nyt J ⋅ 75, 0 K 8, 0 ⋅10−3 kg ⋅ 8,31 ΔV mi RΔT mol ⋅ K = = = 0, 0677 m ≈ 68 mm. h= A M i pA 29, 0 ⋅10−3 kg ⋅ 1, 21 ⋅10−5 Pa ⋅ 0, 021 m 2 mol Vastaus: Mäntä nousee 68 mm. 11.10 Puvun pinta-ala on A = 2, 0 m 2 ja paksuus d = 6, 0 mm , sukellussyvyys h = 25 m ja puvun paksuuden muutos Δd = 0,56 ⋅ 6, 0 mm . Nostoliiviin lisättävän ilman tilavuus on ΔV = AΔd ja paine p1 = p0 + ρ gh . Vastaavan ilman ainemäärä saadaan kaasun tilanyhtälöstä p1ΔV = ΔnRT , josta Δn = p1ΔV . RT Kun tämä ilma poistetaan ilmasäiliöstä (tilavuus Vs ), säiliön paine pienenee määrällä Δp . Tilanyhtälöstä seuraa ΔpVs = ΔnRT , josta Δn = ΔpVs . RT Nostoliiviin lisätyn ilman ainemäärä on kaasupullosta poistuneen ilman ainemäärä, joten ΔpVs = p1ΔV . Ratkaistaan paineen muutos Δp = Δp = p1ΔV ( p0 + ρ gh) AΔd = ja sijoittamalla lukuarvot Vs Vs (101,3 ⋅103 Pa + 1, 0 ⋅103 kg m ⋅ 9,81 2 ⋅ 25 m) ⋅ 2, 0 m 2 ⋅ 0,56 ⋅ 6, 0 ⋅10−3 m 3 m s 12 ⋅10−3 m3 = 194 kPa ≈ 1,9 bar Vastaus: Paine säiliössä pieneni 1,9 bar. © Tekijät ja WSOY Oppimateriaalit Oy, 2007 © Piirrokset: Pekka Könönen ja tekijät