Даралт ба хийн эзэлхүүний хоорондын хамаарал
Пенгантар
Физик, химийн салбарт байгалийн үзэгдлийг ойлгоход тулгуур багана болдог янз бүрийн үндсэн ойлголтууд байдаг. Ийм ойлголтуудын нэг бол хийн даралт ба эзэлхүүний хоорондын хамаарал юм . Энэ хамаарал нь янз бүрийн хийн хуультай нягт холбоотой бөгөөд тэдгээрийн нэг нь Бойлийн хууль юм. Хийн даралт ба эзэлхүүний хоорондын хамаарлыг ойлгох нь хүний амьсгалын систем, хийн хадгалах технологи, дотоод шаталтын хөдөлгүүр гэх мэт янз бүрийн практик хэрэглээнд чухал ач холбогдолтой юм. Энэ нийтлэлд холбогдох үндсэн ойлголтууд, тэдгээрийн үр дагавар, хэрэглээг тоймлон харуулах болно.
Үндсэн хамаарал: Бойлын хууль
Бойлын хууль бол 17-р зуунд Роберт Бойлын нээсэн хамгийн үндсэн хийн хуулиудын нэг юм. Энэ хуульд тогтмол температурт тогтмол хэмжээний хийн хувьд хийн даралт нь түүний эзэлхүүнтэй урвуу хамааралтай гэж заасан байдаг. Математикийн хувьд Бойлын хуулийг дараах тэгшитгэлээр илэрхийлж болно:
\[ P \удаа V = k \]
Хаана:
– \(P\) = Хийн даралт
– \(V\) = Хийн эзэлхүүн
– \(k\) = Тогтмол (тухайн температурт өгөгдсөн хийн хувьд)
Энэ тэгшитгэлээс харахад хийн эзэлхүүн багасвал хийн даралт нэмэгдэх ба эсрэгээр нэмэгдэх болно гэж дүгнэж болно.
Туршилтууд ба дүрслэлүүд
Энэ хуулийг илүү гүнзгий ойлгох нэг арга бол энгийн туршилт юм . Хөдөлгөөнтэй поршентой цилиндр хэлбэртэй хоолой байна гэж бодъё. Энэ хоолойн дотор тодорхой хэмжээний хийн байна. Хэрэв бид поршенийг доош түлхэж хийн хэмжээг бууруулбал хийн даралт нэмэгдэх болно. Үүний эсрэгээр, хэрэв бид поршенийг дээш татаж, хийн хэмжээг нэмэгдүүлбэл хийн даралт буурна.
Энэ хамаарлыг графикаар дүрслэх нь ихэвчлэн даралт (P)-ийн эзэлхүүн (V)-ийн харьцааг графикаар харуулдаг. Даралт ба эзэлхүүний хоорондын хамаарлыг харгалзан үзвэл энэ график нь гипербол муруйг харуулах болно.
Бойлын хуулийн хэрэглээ
1. Амьсгалын систем
Хүний биед Бойлын хуулийг амьсгалын механизмаас олж болно. Бид амьсгалах үед өрц болон хавирга хоорондын булчингууд агшиж, цээжний хөндийн эзэлхүүнийг нэмэгдүүлдэг. Энэхүү эзэлхүүн нэмэгдэх нь уушгины доторх агаарын даралтыг бууруулж, гаднаас уушгинд агаар орох боломжийг олгодог. Амьсгалах үед цээжний хөндийн эзэлхүүн багасч, даралтыг нэмэгдүүлж, уушгинаас агаарыг шахаж гаргадаг.
2. Хийн хадгалах технологи
Шумбалт болон эмнэлгийн хий хадгалахад ашигладаг өндөр даралттай хийн савнууд нь Бойлын хуулийг ашигладаг. Эдгээр хийг их хэмжээний хий хадгалахын тулд эзэлхүүнээ багасгахын тулд саванд өндөр даралттай хадгалдаг. Хий ялгарах үед даралт буурч, хийн хэмжээ шаардлагатай үед нэмэгддэг.
3. Дотоод шаталтын хөдөлгүүр
Машинд байдаг шиг дотоод шаталтын хөдөлгүүрийн үндсэн зарчим нь Бойлын хуультай холбоотой. Поршень доод төвд байх үед агаар, түлшний холимог цилиндрт ордог. Дараа нь энэ хольц нь дээшээ хөдөлж буй поршеноор шахагдаж, даралтыг нэмэгдүүлдэг. Дараа нь энэ хийн холимог шатаж, поршенийг буцааж доош түлхдэг даралт үүсгэж, тээврийн хэрэгслийг хөдөлгөхөд шаардлагатай механик хөдөлгөөнийг бий болгодог.
Бойлын хуулиас хазайх
Бойлын хууль нь идеал хийд сайн үйлчилдэг ч бодит байдал дээр бүх хий төгс ажилладаггүй. Маш өндөр даралт эсвэл маш бага температур гэх мэт тодорхой нөхцөлд бодит хий нь Бойлын хуулиас хазайлт үзүүлдэг. Энэ нь молекул хоорондын таталцлын хүч болон эдгээр нөхцөлд молекулуудын үл тоомсоргүй эзэлхүүнтэй холбоотой юм.
Эдгээр хазайлтыг тооцоолохын тулд эрдэмтэд Ван дер Ваальсын тэгшитгэл гэх мэт бодит хийнүүдийн илүү нарийн төвөгтэй төлөвийн тэгшитгэлийг боловсруулсан. Ван дер Ваальсын тэгшитгэл нь хоёр залруулах коэффициент нэмж Бойлын хуулийг боловсронгуй болгодог: нэг нь молекулуудын эзэлхүүнийг засах, нөгөө нь молекулуудын хоорондох таталцлын хүчний хувьд.
Ван дер Ваалсын тэгшитгэлийг дараах байдлаар илэрхийлнэ.
\[ \left( P + \frac{an^2}{V^2} \right) \left( V – nb \right) = nRT \]
Хаана:
– \(P\) = Хийн даралт
– \(V\) = Хийн эзэлхүүн
– \(n\) = Мэнгэний тоо
– \(T\) = Хийн температур
– \(R\) = Бүх нийтийн хийн тогтмол
– \(a\) ба \(b\) = Хийн төрлөөс хамаарах тогтмолууд
Бусад хийн хуультай холбоотой
Бойлын хуулиас гадна кинетик хийн онол ба термодинамикийн үндэс суурийг бүрдүүлдэг хэд хэдэн хийн хууль байдаг . Бусад хийн хууль болон тэдгээрийн эзэлхүүн ба даралттай хэрхэн холбогддогийг энд оруулав.
1. Чарльзын хууль
Чарльзын хуульд хийн эзэлхүүн нь тогтмол даралттай үед түүний абсолют температуртай шууд пропорциональ байна гэж заасан байдаг. Энэ нь хэрэв хийн температур нэмэгдвэл эзэлхүүн нь нэмэгдэх боловч даралт тогтмол хэвээр байна гэсэн үг юм.
2. Гей-Люссакийн хууль
Гей-Люссакийн хуульд хийн даралт нь тогтмол эзэлхүүн дэх түүний абсолют температуртай шууд пропорциональ гэж заасан байдаг. Тиймээс, хэрэв хийн температурыг тогтмол эзэлхүүн дээр нэмэгдүүлбэл хийн даралт мөн нэмэгдэнэ.
3. Авогадрогийн хууль
Авогадрогийн хуульд ижил даралт ба температурт хийн эзэлхүүн нь хийн молийн тоотой шууд пропорциональ байна гэж заасан байдаг. Өөрөөр хэлбэл, ижил тооны молийн хий ижил даралт ба температурт ижил эзэлхүүнтэй байна.
4. Идеал хийн тэгшитгэл
Идеал хийн тэгшитгэл нь дээрх гурван хуулийн нэгдэл бөгөөд дараах хэлбэрээр илэрхийлэгдэнэ:
\[ PV = nRT \]
Дүгнэлт
Хийн даралт ба эзэлхүүний хоорондын хамаарлыг ойлгох нь шинжлэх ухаан, инженерийн олон салбарын хувьд чухал юм. Хийн үндсэн хуулиудын нэг болох Бойлын хууль нь хийнүүд янз бүрийн нөхцөлд хэрхэн ажилладаг талаар анхны ойлголтыг өгдөг. Үүний хэрэглээ нь амьсгалах зэрэг биологийн процессоос эхлээд дотоод шаталтын хөдөлгүүр, хий хадгалах зэрэг өдөр тутмын технологи хүртэл өргөн хүрээтэй байдаг. Бойлын хууль маш хэрэгтэй боловч бодит хийнүүд энэ хуулийг төгс дагаж мөрддөггүй нөхцөл байдал байдаг бөгөөд Ван дер Ваалсын тэгшитгэл гэх мэт илүү боловсронгуй загварууд нь хэт туйлширсан нөхцөлд хийн зан төлөвийг ойлгоход шаардлагатай байдаг. Энэхүү мэдлэг нь бусад хийн хуулиудын хамт өдөр тутмын амьдралд болон дэвшилтэт технологийн хөгжилд бидэнд хэрэгтэй зүйлсийг ойлгох үндэс суурийг бүрдүүлдэг.
