Den ideala gaslagen, även kallad den allmänna gaslagen, är lag som beskriver sambandet mellan tryck, volym, temperatur och substansmängd hos ideala gaser. Formeln lyder:
pV = R*n*T
p – gasens tryck (i Nm^-2), V – gasens volym (i m^3), R – gaskonstanten (8,3145 J mol ^-1 K ^-1), n – substansmängd (i mol), T = absoluta temperaturen (i Kelvin).
Vad är då en ideal gas? En ideal gas är en teoretisk gas där partiklarna varken tar upp någon volym eller interagerar med varandra, vilket ger den speciella egenskapen att dess tryck, volym och temperatur är direkt relaterade enligt formeln PV=nRT.
Formeln innehåller fem viktiga komponenter: tryck (P), volym (V), antalet mol av gas (n), den universella gaskonstanten (R), och temperatur (T). Genom att känna till fyra av dessa variabler kan vi lätt beräkna den femte. Detta ger oss en kraftfull metod för att lösa en mängd olika problem. När en uppgift säger att en gas är ”ideal”, innebär det att vi kan använda den ideala gaslagen för att lösa uppgiften.
Om vi bryter ned det till det mest grundläggande, är den ideala gaslagen en modell som beskriver beteendet hos gaser. I denna modell antas det att alla gaser består av partiklar som konstant rör sig i slumpmässiga riktningar och att dessa partiklar inte påverkar varandra förutom när de kolliderar. Dessutom antas det att dessa partiklar inte har någon volym. Det kan låta konstigt men förenklar beräkningarna mycket! I verkligheten finns det inga perfekt ideala gaser, men många gaser beter sig nära nog som ideala gaser under normala förhållanden vilket gör att vi kan använda den ideala gaslagen för att göra (väldigt nära på) korrekta beräkningar och förutsägelser.
Den ideala gaslagen har utvecklats över tid, med bidrag från flera framstående forskare. Redan på 1600-talet undersökte Robert Boyle hur trycket och volymen av en gas relaterade till varandra under konstant temperatur, vilket ledde till upptäckten av det som nu är känt som Boyles lag. På 1800-talet kombinerade fysikern Benoît Paul Émile Clapeyron arbetet av Boyle och Gay-Lussac för att formulera den ideala gaslagen, som sedan blev grunden för modern gasdynamik.
Kärnan i den ideala gaslagen är formeln PV=nRT, där varje symbol representerar en specifik egenskap hos gasen.
Så, du vet nu vad de olika symbolerna representerar för egenskap. Men vilket tryck är det vi ska använda oss av i formeln? Vilken volym är det egentligen? Låt oss nu därför bryta ned dessa komponenter lite mer. Trycket (P) är den kraft som gasen utövar på väggarna i sin behållare – tänk på luften som trycker på insidan av en uppblåst ballong. Volymen (V) är utrymmet som gasen upptar, vilket kan variera beroende på mängden gas och det tryck den utsätts för. Mängden gas (n) mäts i mol, en enhet som används för att räkna antalet partiklar, och 1 mol av något ämne innehåller alltid samma antal partiklar – Avogadros tal (ungefär 6.022 x 10^23 partiklar). ’R’ är den universella gaskonstanten, enheten för den ideala gaskonstanten är Joule*mol-1 *K-1 . Slutligen är ’T’ temperaturen, som alltid mäts i Kelvin inom den ideala gaslagen.
Var kommer vi att stöta på ideala gaser i verkliga livet? Svaret är att den ideala gaslagen används brett i vardagliga tillämpningar, från kemi och meteorologi till ingenjörskonst och medicin. För att ge ett exempel, kan vi titta på väderballonger. När en väderballong släpps upp i atmosfären, kommer trycket runt den att minska. Eftersom volymen av gasen inuti ballongen vill expandera som svar på detta (enligt den ideala gaslagen), blåser ballongen upp tills den till slut spricker.
Som tidigare nämnts, förutsätter den ideala gaslagen att gaspartiklar inte interagerar med varandra och att de inte har någon volym. Men detta stämmer egentligen inte i verkligheten. Gaspartiklar kan faktiskt dra och stöta bort varandra, och vid höga tryck eller låga temperaturer kan partiklarnas volym bli betydande. I sådana fall kan den ideala gaslagen ge felaktiga resultat, och en mer komplicerad modell (som van der Waals ekvationen) kan behöva användas.’
Nu när vi har gått igenom de grundläggande koncepten och förstått vad den ideala gaslagen innebär, låt oss försöka oss på en exempeluppgift. Låt oss säga att vi har en behållare med 1 mol heliumgas. Temperaturen är 273 Kelvin (eller 0 grader Celsius) och behållaren har en volym på 22,4 liter. Vad är trycket inuti behållaren?
[bild på problemet]
Lösningsförslag: Svaret kan hittas genom att sätta in de kända värdena i vår ideala gaslag: PV=nRT. Efter att ha fyllt i alla värden och löst ekvationen hittar vi att trycket är 1 atmosfär.
För att se om du har förstått innehållet i denna artikel, här är ett kort quiz. Försök att svara på dessa frågor utan att gå tillbaka och titta på texten:
Rätta svar:
För mer hjälp med fysik besök vår begreppssamling med förklaringar eller uppgiftsbank med övningsuppgifter om fysikbegrepp och koncept och såklart finns det lösningar! Allt för att du ska förstå fysiken så bra som möjligt. Du hittar även en komplett formelsamling som du får ta med dig till Kursprovet! Och kom ihåg, oavsett om du är en student som behöver hjälp med dina fysikuppgifter eller bara nyfiken på ett begrepp, finns det alltid hjälp att få, och nya saker att lära!