Mật độ là khối lượng trên một đơn vị thể tích . Tìm khối lượng riêng của chất khí cũng giống như tìm khối lượng riêng của chất rắn hoặc chất lỏng. Bạn phải biết khối lượng và thể tích của khí. Phần khó khăn với chất khí là chúng thường cung cấp cho bạn áp suất và nhiệt độ mà không đề cập đến thể tích. Bạn phải tìm ra nó từ các thông tin khác.
Cách tìm khối lượng riêng của chất khí
- Tính mật độ của khí thường liên quan đến việc kết hợp công thức mật độ (khối lượng chia cho thể tích) và định luật khí lý tưởng (PV = nRT).
- ρ = PM/RT, trong đó M là khối lượng phân tử.
- Định luật khí lý tưởng là một xấp xỉ tốt về hành vi của khí thực.
- Thông thường, với loại vấn đề này, bạn được cung cấp loại khí và đủ các biến số khác để giải quyết vấn đề định luật khí lý tưởng.
- Hãy nhớ chuyển đổi nhiệt độ sang nhiệt độ tuyệt đối và xem xét các đơn vị khác của bạn.
Tính toán tỷ trọng của một ví dụ về khí
Bài toán ví dụ này sẽ chỉ ra cách tính khối lượng riêng của chất khí khi biết loại chất khí, áp suất và nhiệt độ.
Câu hỏi: Khối lượng riêng của khí oxi ở 5 atm và 27°C là bao nhiêu?
Đầu tiên, hãy viết ra những gì chúng ta biết:
Khí là khí oxi hoặc khí O 2 .
Áp suất là 5 atm
Nhiệt độ là 27 °C
Hãy bắt đầu với công thức cho định luật khí lý tưởng.
VP = nRT
trong đó
P = áp suất
V = thể tích
n = số mol khí
R = hằng số khí (0,0821 L atm/mol K)
T = nhiệt độ tuyệt đối
Nếu chúng ta giải phương trình cho khối lượng, chúng ta sẽ nhận được:
V = (nRT)/P
Bây giờ chúng ta biết mọi thứ chúng ta cần để tìm thể tích ngoại trừ số mol khí. Để tìm thấy điều này, hãy nhớ mối quan hệ giữa số mol và khối lượng.
n = m/MM
trong đó
n = số mol khí
m = khối lượng khí
MM = khối lượng phân tử của khí
Điều này rất hữu ích vì chúng ta cần tìm khối lượng và chúng ta biết khối lượng phân tử của khí oxy. Nếu chúng ta thay thế n trong phương trình đầu tiên, chúng ta sẽ nhận được:
V = (mRT)/(MMP)
Chia cả hai vế cho m:
V/m = (RT)/(MMP)
Nhưng mật độ là m/V, vì vậy hãy lật ngược phương trình lại để có:
m/V = (MMP)/(RT) = khối lượng riêng của khí.
Bây giờ chúng ta cần chèn các giá trị mà chúng ta biết.
MM của khí oxy hoặc O 2 là 16+16 = 32 gam/mol
P = 5 atm
T = 27 °C, nhưng chúng ta cần nhiệt độ tuyệt đối. TK = TC + 273
T = 27 + 273 = 300K
m/V = (32 g/mol 5 atm)/(0,0821 L atm/mol K 300 K)
m/V = 160/24,63 g/L
m/V = 6,5 g/ L
Trả lời: Khối lượng riêng của khí oxi là 6,5 g/L.
Một vi dụ khac
Tính mật độ của khí carbon dioxide trong tầng đối lưu, biết rằng nhiệt độ là -60,0 °C và áp suất là 100,0 milibar.
Đầu tiên, liệt kê những gì bạn biết:
- P = 100 mbar
- T = -60,0 °C
- R = 0,0821 L atm/mol K
- khí cacbonic là CO2
Ngay lập tức, bạn có thể thấy rằng một số đơn vị không bằng nhau và bạn cần sử dụng bảng tuần hoàn để tìm khối lượng mol của carbon dioxide. Hãy bắt đầu với điều đó.
- khối lượng cacbon = 12,0 g/mol
- khối lượng oxy = 16,0 g/mol
Có một nguyên tử cacbon và hai nguyên tử oxi nên khối lượng mol (M) của CO 2 là 12,0 + (2 x 16,0) = 44,0 g/mol
Quy đổi mbar sang atm, bạn nhận được 100 mbar = 0,098 atm. Chuyển đổi °C sang K, bạn nhận được -60,0 °C = 213,15 K.
Cuối cùng, tất cả các đơn vị đều đồng ý với những đơn vị được tìm thấy trong hằng số khí lý tưởng:
- P = 0,98 atm
- T = 213,15K
- R = 0,0821 L atm/mol K
- M = 44,0 g/mol
Bây giờ hãy cắm các giá trị vào phương trình tính khối lượng riêng của khí:
ρ = PM/RT = (0,098 atm)(44,0 g/mol) / (0,0821 L atm/mol K)(213,15 K) = 0,27 g/L
nguồn
- Anderson, John D. (1984). Nguyên tắc cơ bản của khí động lực học . Giáo dục đại học McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-001656-9.
- John, James (1984). Động lực học khí . Allyn và thịt xông khói. ISBN 978-0-205-08014-4.
- Khotimah, Siti Nurul; Viridi, Sparisoma (2011). “Chức năng phân vùng khí lý tưởng đơn nguyên tử 1, 2 và 3-D: Đánh giá đơn giản và toàn diện.” Jurnal Pengajaran Fisika Sekolah Menengah . 2(2):15–18.
- Sharma, PV (1997). Địa vật lý môi trường và Kỹ thuật . Nhà xuất bản Đại học Cambridge. ISBN 9781139171168. doi:10.1017/CBO9781139171168
- Trẻ trung, Hugo D.; Freedman, Roger A. (2012). Đại học Vật lý với Vật lý hiện đại . Addison-Wesley. ISBN 978-0-321-69686-1.
