WikiSysop: Bot: Automatski unos stranica

2021-09-27T06:09:31Z

Bot: Automatski unos stranica

Nova stranica

[[datoteka:Translational motion.gif|mini|desno|250px|[[Temperatura]] [[Idealni plin|idealnog plina]] je mjera prosječne [[kinetička energija|kinetičke energije]] [[molekula]].]]

[[datoteka:Brownianmotion5particles150frame.gif|desno|mini|250px|Ovo je oponašanje ili simuliranje [[Brownovo gibanje|Brownovog gibanja]] za 5 čestica (žuto) koje se sudaraju s 800 čestica. Žute čestice ostavljaju 5 plavih tragova slučajnog kretanja i jedna od njih ima crveni [[vektor]] brzine.]]

[[datoteka:Boyles Law animated.gif|mini|desno|250px|[[Boyle-Mariotteov zakon]].]]

[[datoteka:Charles and Gay-Lussac's Law animated.gif|mini|desno|250px|[[Gay-Lussacov zakon]] za stalan [[tlak]].]]

[[datoteka:Ideal gas isotherms.png|mini|desno|250px|Krivulje prikazuju odnos između [[Jednadžba stanja idealnog plina|tlaka (okomita os) i obujma (vodoravna os) za idealni plin]] kod različitih [[temperatura]].]]

[[datoteka:Waals2.svg|mini|desno|250px|[[Van der Waalsova jednadžba stanja|Van der Waalsovove izoterme]]: njegov model točno opisuje nestišljive tekućine, ali oscilacije u prijelaznoj fazi između plinova i tekućina ne odgovara rezultatima pokusa.]]

[[datoteka:Cloud forest mount kinabalu.jpg|mini|desno|250px|Prisutnost [[Vlaga|vlage]] u [[zrak]]u povećava ukupan [[tlak zraka]].]]

[[datoteka:Dalton's law of partial pressures.png|mini|desno|250px|Prikaz [[Daltonov zakon|Daltonovog zakona]] koji koristi [[plin]]ove [[zrak]]a na [[Morska razina|razini mora]].]]

'''Plinski zakoni''' su se razvili tijekom 17. i 19. stoljeća, kada su [[Znanost|znanstvenici]] počeli shvaćati da postoji kod plinova veza između [[tlak]]a, [[obujam|obujma]] i [[temperatura|temperature]]. Bitno svojstvo plinova je nasumično gibanje njihovih čestica, koje nazivamo [[Brownovo gibanje]], prema Robertu Brownu, koji je ovu pojavu po prvi puta uočio na sićušnim zrncima cvjetnog peluda na vodi, promatrajući ih ispod [[mikroskop]]a. [[Kinetička teorija plinova]] opisuje plin kao velik broj malih čestica, koje su stalno u nasumičnom kretanju.

== Plinski zakoni, toplina kao energija ==
{{glavni|Toplina}}

Razvojem [[termodinamika|termodinamike]] u 19. stoljeću došlo je vrijeme da se stare predodžbe o gibanjima [[atom]]a upotrijebe za proračun svojstva [[materija|materije]]. Ako su vidljiva tijela građena od atoma i [[molekule]], tada se cijelo ponašanje materije mora izvesti iz njihova [[gibanje|gibanja]]. Osobine materije moraju se tada prikazati kao sveukupni rezultat učinaka golemog mnoštva nevidljivih čestica. Pred teoretske fizičare postavlja se zadaća da svu termodinamičku zakonitost prikažu kao izraz mehanike atoma. Rješenje te zadaće moglo je jedino utvrditi atomistiku i postaviti je u red klasičnih znanosti, kao što su [[mehanika]], [[elektrodinamika]] ili [[optika]]. Veliki broj fizičara i matematičara istakao se u svladavanju tog velikog djela, osobito [[James Clerk Maxwell|J. C. Maxwell]], [[Rudolf Clausius|R. Clausius]], [[Ludwig Boltzmann|L. Boltzmann]] i [[Josiah Willard Gibbs|J. W. Gibbs]].

Iz osnovnih jednadžbi mehanike zbirno se može proračunati ponašanje velikog mnoštva atoma. Iz usporedbe i iskustvenih osobina materije mogu se odrediti nepoznate teorijske konstante: [[Atomski broj|broj]] i [[Relativna atomska masa|mase atoma]] [[Kemijski element|kemijskih elemenata]]. Dovoljna je samo jedna takva usporedba. Slaganje s ostalim iskustvenim osobinama je tad nužno ako je atomska hipoteza ispravna. Na osnovu atomskog modela mogu se izračunati [[energija]] i [[tlak]] [[plin]]a na datoj temperaturi, [[specifična toplina]], specifična [[vodljivost]], unutarnje [[trenje]], [[brzina]] [[Difuzija|difuzije]] i tako dalje.

=== Avogadrov broj ===
{{glavni|Avogadrov broj}}

S atomskog gledišta cjelokupno ponašanje materije otkriva se kao izraz jedinstvene fizičke stvarnosti - gibanje atoma. Ovo ujedinjenje svih iskustvenih svojstava materije neminovno je u [[Nuklearna fizika|nuklearnoj fizici]]. Od početka su [[fizičar]]i najveću pozornost obratili plinovitom stanju materije jer se ono da svesti na najjednostavniji atomski model. Plin nalikuje na roj mušica koje lete na sve strane. Samo kod [[Plemeniti plinovi|plemenitih plinova]] slobodne brze čestice su atomi. Inače su to molekule. Tako se na primjer [[vodik]]ov, [[dušik]]ov ili [[kisik]]ov plin ne sastoje od atoma nego od molekula, građenih od dva atoma. U [[kemija|kemiji]] se za jedinicu mase uzima masa najlakšeg atoma, vodikova, ili točnije 1/16 mase kisikova atoma. U tim jedinicama, gdje za masu kisikova atoma uzimamo 16, ima vodikov atom [[Relativna atomska masa|relativnu težinu]] 1,008. Prednost je tako odabrane jedinice da se mase ostalih atoma većinom približuju cijelim brojevima. U kemijskim jedinicama [[težina]] vodikovih molekula iznosi 2, dušikovih 28, a kisikovih 32. Uzme li se toliko grama plina kolika je njegova [[Relativna molekularna masa|molekularna težina]], ta se količina zove jedan [[Mol (mjerna jedinica)|mol]]. U molu bilo kojeg plina nalazi se uvijek isti broj molekula. Određenje ovog temeljnog broja jedan je od glavnih zadataka [[atomistika|atomistike]].

Atomska struktura materije u fizici se prvi puta jasno očitovala u značajnom otkriću, da 2 [[gram]]a vodikova plina, 28 grama dušikova plina ili 32 grama kisikova plina u jednakim posudama na istoj temperaturi pokazuju isti tlak. Prvi je [[Amedeo Avogadro|A. Avogadro]] 1811. spoznao puni doseg te činjenice. Jednak broj molekula svakog plina vrši isti [[tlak]]. Zatvorimo li u jednake posude upravo toliko od svakog plina da oni imaju jednake tlakove, opažamo da su tada njihove količine dane jednakim brojem mola. Tu prvi puta vidimo most između kemije i [[fizika|fizike]]. Ovo atomsko jedinstvo kemije i fizike Avogadru je lebdjelo pred očima kad je izrekao zakon: '''"Imaju li različiti plinovi istog volumena i temperature isti tlak, tad se oni sastoje od jednakog broja molekula."'''

==== Avogadrov zakon ====
{{glavni|Avogadrov zakon}}
Avogadrov zakon tvrdi da dva spremnika idealnog plina, sa jednakom temperaturom, tlakom i obujmom, sadrže jednak broj molekula. To znači da je obujam nekog spremnika, direktno proporcionalan sa brojem [[mol]]ova (ili molekula) u tom spremniku. Za 100 kPa i 273,15 K, obujam jednog mola idealnog plina iznosi 22,414 dm3 ili 22,414 [[Litra|litre]]. Matematički se taj zakon može opisati kao:

:<math>V = k_4 \cdot n \,</math>

gdje je ''V'' – obujam plina (m3), ''n'' – broj molova plina u nekom spremniku (ukupan broj molekula podijeljen sa [[Avogadrov broj|Avogadrovim brojem]]) i k4 – konstanta.

=== Boyle-Mariotteov zakon ===
{{glavni|Boyle-Mariotteov zakon}}

Osnovna je činjenica da je tlak plina to veći što ga na manji volumen stisnemo. Tlak je dakle obrnuto proporcionalan volumenu. Drukčije rečeno ([[Boyle-Mariotteov zakon]]):

:<math> p \cdot V = konstantno </math>

gdje je: ''p'' - [[tlak]] plina, ''V'' - [[obujam]] ili volumen plina.

=== Gay-Lussacov zakon ===
{{glavni|Gay-Lussacov zakon}}

Kad plin [[grijanje|grijemo]], njegov tlak raste. Tlak je proporcionalan temperaturi:

:<math> p \approx T </math>

Odatle se vidi da se tlak plina smanjuje ako ga ohlađujemo. Postoji određena granična temperatura na kojoj tlak plina potpuno isčezava. Ta se granica zove [[apsolutna nula]] temperature. Mjerena u [[Celzij]]usovim stupnjevima ona iznosi - 273,15 °C. U fizici je običaj, da se temperatura uopće broji od te apsolutne nule. U takvoj skali je ledištu vode temperatura T = 273,15 K. Oba plinska zakona sadržani su u jednostavnom [[Gay-Lussacov zakon|zakonu Gay-Lussaca]]:

:<math> p = p_0 \cdot (1 + \frac{T}{273,15}) </math>

ili općenito:

:<math> p \cdot V = n \cdot R \cdot T \,</math>

Odatle vidimo odmah i Boyleov zakon: '''"Kod konstantne temperature tlak se tako povećava kako se volumen umanjuje. Umnožak tlaka i volumena je konstantan."'''

Konstanta proporcionalnosti ''R'' jednaka je za sve plinove, naravno u tom slučaju gdje se uzme volumen mola. Plinska konstanta može se tako odrediti da se izmjeri tlak, volumen i temperatura plina, a dobivene vrijednosti uvrste u jednadžbu plinskog stanja. Tlak plina se izražava u [[njutn]]ima po [[Četvorni metar|četvornom metru]] (N/m2) ili [[paskal]]ima. Njena točna vrijednost je:

:<math> R = 8,314\,472(15)~\frac{\mathrm{J}}{\mathrm{mol~K}}</math>

=== Realni plin ===
{{glavni|Realni plin}}

[[Jednadžba stanja idealnog plina|Jednadžba plinovitog stanja]], koju smo gore zapisali, vrijedi strogo za [[idealni plin]], to jest za plin u kojem molekule ne zapremaju nikakav prostor, niti uzajamno ne vrše nikakve sile. Međutim, realne molekule nisu matematičke točke i ne mogu se stisnuti na proizvoljno malen volumen. Uzmimo da je za zapreminu molekula u jednom molu mjerodavan neki volumen ''b''. Očito je da će tlak plina postati beskonačno velik ako mol plina stisnemo do tog volumena ''b'' što ga same molekule zapremaju. Jednadžbu plinovitog stanja moramo prema tome izmijeniti tako da uzmemo u obzir volumen molekula:

:<math> p \cdot (V - b) = n \cdot R \cdot T \,</math>

Potrebna je još jedna važna korekcija. Između molekula vladaju slabe privlačne sile koje umanjuju tlak plina na stijenke. Djelovanje tih privlačnih sila je naravno veće ako su razmaci između molekula manji. Prema [[Johannes Diderik van der Waals|Van der Waalsu]] je umanjenje tlaka plina zbog privlačnih sila između molekula proporcionalno s ''1/v2''. [[Van der Waalsova jednadžba stanja]] glasi:

:<math>\left(p + \frac{a}{v^2}\right) \cdot \left(v-b\right) = k \cdot T</math>

gdje je:
:''p'' - [[tlak]] fluida;
:''v'' - specifični obujam, a to je ukupan obujam spremnika, podijeljen ukupnim brojem čestica;
:''k'' - [[Boltzmannova konstanta]];
:''T'' - apsolutna [[temperatura]];
:''a'' - mjera za privlačenje čestica;
:''b'' - obujam koji zauzimaju čestice.

Van der Waalsova jednadžba dobro opisuje ponašanje [[Realni plin|realnih plinova]]. Usporedbom s iskustvom mogu se nepoznate konstante ''a'' i ''b'' odrediti, i ako se dobiva uvid u sile i veličine molekula). <ref> [[Ivan Supek]]: "Nova fizika", Školska knjiga Zagreb, 1966.</ref>

== Charlesov zakon ==
{{glavni|Charlesov zakon}}

Charlesov zakon, ili plinski zakon obujma, je objavljen 1678. godine. On govori da je obujam kod idealnog plina, kada je tlak konstantan, direktno proporcionalan apsolutnoj ili termodinamičkoj temperaturi T (u [[Kelvin]]ima). Ako plinu povećavamo temperaturu, povećat će se i obujam. Matematički se taj zakon može opisati kao:

:<math>V = k_2 \cdot T \,</math>

gdje je: ''T'' - apsolutna ili termodinamička temperatura ([[Kelvin|K]]), ''V'' – obujam plina (m3) i ''k2'' – konstanta (u m3/K).

== Kombinirani zakon i jednadžba stanja idealnog plina ==
{{glavni|Jednadžba stanja idealnog plina}}
Kombinirani zakon plinova se dobije kombinacijom prve 3 jednadžbe i pokazuje odnos između tlaka, obujma i temperature plina:

:<math>P \cdot V = k_5 \cdot T \,</math>

Ako ubacimo i Avogadrov zakon, dobije se jednadžba stanja idealnog plina:

:<math>P \cdot V = n \cdot R \cdot T \,</math>

gdje je: ''R'' – [[plinska konstanta]], koja ima vrijednost 8,314472(15) J•K−1•mol−1. Ona se može opisati i kao:

:<math>P \cdot V = k \cdot N \cdot T \,</math>

gdje je: ''k'' – [[Boltzmannova konstanta]], a ''N'' – ukupan broj molekula u spremniku.

Ova jednadžba je točna za idealne plinove, koja zanemaruje razne međumolekularne sile, koje djeluju kod realnih plinova. Ali, zakon idealnih plinova je vrlo dobro približenje za veliku većinu plinova, kod umjerenih tlakova i temperatura.

Iz zakona idealnih plinova mogu se izvući sljedeći zaključci:
* ako su temperatura i tlak konstantni, obujam plina je direktno proporcionalan sa brojem molekula plina.
* ako su temperatura i obujam konstantni, tlak plina je direktno proporcionalan sa brojem molekula plina.
* ako su temperatura i broj molekula konstantni, tlak je obrnuto proporcionalan sa obujmom spremnika.
* ako je broj molekula konstantan u spremniku, sa povećanjem temperature će se povećati ili tlak ili obujam (ili oboje).

== Ostali plinski zakon ==

=== Daltonov zakon ===
{{glavni|Daltonov zakon}}

'''Daltonov zakon''' tvrdi da je tlak mješavine plinova jednak zbroju [[Parcijalni tlak|parcijalnih tlakova]] pojedinih sastavnih dijelova mješavine. Matematički se taj zakon može opisati kao:

:<math> P_{total} = P_1 + P_2 + P_3 + ... + P_n \,</math>
ili
:<math> P_{{{Total}}} = P_{{{Gas}}} + P_{{{H}_2{O}}} \,</math>

gdje je: ''PTotal'' – ukupan tlak atmospfere, ''PGas'' – je tlak mješavine plinova u atmosferi i PH2O – tlak [[vodena para|vodene pare]], kod neke temperature.

=== Henryev zakon ===
{{glavni|Henryev zakon}}

[[Henryev zakon]] tvrdi da, kod konstantne temperature, količina otopljenog plina u [[tekućina|tekućini]], je direktno proporcionalna sa parcijalnim tlakom tog plina, u ravnoteži sa tekućinom.

:<math> p = k_{\rm H}\, \cdot c</math>

gdje je: ''p'' – parcijalni tlak otopljene tvari u plinu iznad [[otopina|otopine]], ''c'' – koncentracija otopljene tvari i ''kH'' – Henryeva konstanta, koja ovisi o otopljenoj tvari, otapalu i temperaturi.

== Izvori ==
{{izvori}}
* Castka Joseph F.; Metcalfe, H. Clark; Davis, Raymond E.; Williams, John E.: "Modern Chemistry", publisher=Holt, Rinehart and Winston, 2002.
* Guch Ian: "The Complete Idiot's Guide to Chemistry", publisher=Alpha, Penguin Group Inc., 2003.
* Zumdahl Steven S.: "Chemical Principles", publisher=Houghton Millfin Company, 1998.

[[Kategorija:Plinski zakoni]]

Plinski zakoni - Povijest promjena

WikiSysop: Bot: Automatski unos stranica