Частичное давление

редактировать

В смеси газов каждый составляющий газ имеет парциальное давление, которое является условным давлением этого составляющего газа, если только он занимал весь объем исходной смеси при той же температуре. Полное давление идеальной газовой смеси - это сумма парциальных давлений газов в смеси ( закон Дальтона ).

Парциальное давление газа является мерой термодинамической активности молекул газа. Газы растворяются, диффундируют и реагируют в соответствии с их парциальным давлением, а не в соответствии с их концентрацией в газовых смесях или жидкостях. Это общее свойство газов справедливо и для химических реакций газов в биологии. Например, количество кислорода, необходимое для дыхания человека и количество токсичных веществ, определяется парциальным давлением кислорода. Это верно для очень широкого диапазона различных концентраций кислорода, присутствующего в различных вдыхаемых газах для дыхания или растворенного в крови. Парциальные давления кислорода и углекислого газа являются важными параметрами при анализе газов артериальной крови, но также могут быть измерены, например, в спинномозговая жидкость.

СОДЕРЖАНИЕ

  • 1 символ
  • 2 Закон парциальных давлений Дальтона
  • 3 Идеальные газовые смеси
  • 4 Частичный объем (закон аддитивного объема Амагата)
  • 5 Давление пара
  • 6 Константы равновесия реакций с участием газовых смесей
  • 7 закон Генри и растворимость газов
  • 8 При дайвинге дыхательные газы
  • 9 В медицине
  • 10 См. Также
  • 11 Источники

Символ

Обозначение давления обычно P или p, которое может использовать индекс для обозначения давления, и газы также обозначаются индексом. При объединении эти индексы применяются рекурсивно.

Примеры:

п 1 {\ displaystyle {P_ {1}}}или = давление в момент времени 1 п 1 {\ displaystyle {p_ {1}}}
п ЧАС 2 {\ displaystyle {P _ {\ rm {H_ {2}}}}} или = парциальное давление водорода п ЧАС 2 {\ displaystyle {p _ {\ rm {H_ {2}}}}}
п v О 2 {\ displaystyle {P_ {v _ {\ rm {O_ {2}}}}}}или = венозное парциальное давление кислорода п v О 2 {\ displaystyle {p_ {v _ {\ rm {O_ {2}}}}}}

Закон парциальных давлений Дальтона

Основная статья: закон Дальтона Схема, показывающая концепцию закона Дальтона.

Закон Дальтона выражает тот факт, что полное давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений отдельных газов в смеси. Это равенство возникает из-за того, что в идеальном газе молекулы настолько удалены друг от друга, что не взаимодействуют друг с другом. Большинство реальных газов очень близко подходят к этому идеалу. Например, для идеальной газовой смеси азота (N 2), водорода (H 2) и аммиака (NH 3):

п знак равно п N 2 + п ЧАС 2 + п NH 3 {\ displaystyle p = p _ {{\ ce {N2}}} + p _ {{\ ce {H2}}} + p _ {{\ ce {NH3}}}}
где:
п {\ displaystyle p \,} = полное давление газовой смеси
п N 2 {\ displaystyle p _ {{\ ce {N2}}}} = парциальное давление азота (N 2)
п ЧАС 2 {\ displaystyle p _ {{\ ce {H2}}}} = парциальное давление водорода (H 2)
п NH 3 {\ displaystyle p _ {{\ ce {NH3}}}} = парциальное давление аммиака (NH 3)

Идеальные газовые смеси

В идеале отношение парциальных давлений равно отношению количества молекул. То есть мольная доля отдельного газового компонента в идеальной газовой смеси может быть выражена через парциальное давление компонента или моль компонента: Икс я {\ Displaystyle х _ {\ mathrm {я}}}

Икс я знак равно п я п знак равно п я п {\ displaystyle x _ {\ mathrm {i}} = {\ frac {p _ {\ mathrm {i}}} {p}} = {\ frac {n _ {\ mathrm {i}}} {n}}}

а парциальное давление отдельного газового компонента в идеальном газе может быть получено с помощью этого выражения:

п я знак равно Икс я п {\ displaystyle p _ {\ mathrm {i}} = x _ {\ mathrm {i}} \ cdot p}
где:
Икс я {\ Displaystyle х _ {\ mathrm {я}}} = мольная доля любого отдельного газового компонента в газовой смеси
п я {\ displaystyle p _ {\ mathrm {i}}} = парциальное давление любого отдельного газового компонента в газовой смеси
п я {\ Displaystyle п _ {\ mathrm {я}}} = моль любого отдельного газового компонента в газовой смеси
п {\ displaystyle n} = общее количество молей газовой смеси
п {\ displaystyle p} = полное давление газовой смеси

Мольная доля газового компонента в газовой смеси равна объемной доле этого компонента в газовой смеси.

Отношение парциальных давлений основывается на следующем соотношении изотермы:

V Икс V т о т знак равно п Икс п т о т знак равно п Икс п т о т {\ displaystyle {\ frac {V _ {\ rm {X}}} {V _ {\ rm {tot}}}} = {\ frac {p _ {\ rm {X}}} {p _ {\ rm {tot}} }} = {\ frac {n _ {\ rm {X}}} {n _ {\ rm {tot}}}}}
  • V X - это парциальный объем любого отдельного газового компонента (X)
  • V tot - общий объем газовой смеси.
  • p X - парциальное давление газа X
  • p tot - полное давление газовой смеси
  • n X - количество вещества газа (X)
  • n tot - общее количество вещества в газовой смеси

Частичный объем (закон аддитивного объема Амагата)

Парциальный объем конкретного газа в смеси - это объем одного компонента газовой смеси. В газовых смесях, например, воздуха, полезно сосредоточиться на одном конкретном газовом компоненте, например, кислороде.

Его можно аппроксимировать как по парциальному давлению, так и по молярной доле:

V Икс знак равно V т о т × п Икс п т о т знак равно V т о т × п Икс п т о т {\ Displaystyle V _ {\ rm {X}} = V _ {\ rm {tot}} \ times {\ frac {p _ {\ rm {X}}} {p _ {\ rm {tot}}}} = V _ {\ rm {tot}} \ times {\ frac {n _ {\ rm {X}}} {n _ {\ rm {tot}}}}}
  • V X - парциальный объем отдельного газового компонента X в смеси.
  • V tot - общий объем газовой смеси.
  • p X - парциальное давление газа X
  • p tot - полное давление газовой смеси
  • n X - количество вещества газа X
  • n tot - общее количество вещества в газовой смеси

Давление газа

Основная статья: Давление пара Диаграмма давления паров по логлину для различных жидкостей

Давление пара является давление в пара в равновесии с его фазами не-пара (то есть, жидких или твердых). Чаще всего этот термин используется для описания жидкости тенденции «s, чтобы испариться. Это мера тенденции молекул и атомов к выходу из жидкости или твердого тела. Точка кипения жидкости при атмосферном давлении соответствует температуре, при которой давление ее пара равно окружающему атмосферному давлению, и ее часто называют нормальной точкой кипения.

Чем выше давление пара жидкости при данной температуре, тем ниже нормальная точка кипения жидкости.

На представленной диаграмме давления пара есть графики зависимости давления пара от температуры для различных жидкостей. Как видно из диаграммы, жидкости с самым высоким давлением пара имеют самую низкую нормальную температуру кипения.

Например, при любой заданной температуре хлористый метил имеет самое высокое давление пара среди всех жидкостей в таблице. Он также имеет самую низкую нормальную точку кипения (-24,2 ° C), где кривая давления паров хлористого метила (синяя линия) пересекает горизонтальную линию давления в одну атмосферу ( атм ) абсолютного давления пара. Обратите внимание, что на больших высотах атмосферное давление ниже, чем на уровне моря, поэтому точки кипения жидкостей снижаются. На вершине Эвереста атмосферное давление составляет примерно 0,333 атм, поэтому, используя график, температура кипения диэтилового эфира будет примерно 7,5 ° C по сравнению с 34,6 ° C на уровне моря (1 атм).

Константы равновесия реакций с участием газовых смесей

Можно вычислить константу равновесия для химической реакции с участием смеси газов, учитывая парциальное давление каждого газа и общую формулу реакции. Для обратимой реакции с участием газовых реагентов и газовых продуктов, таких как:

а А + б B c C + d D {\ displaystyle a \, A + b \, B \ leftrightarrow c \, C + d \, D}

константа равновесия реакции будет:

K п знак равно п C c п D d п А а п B б {\ displaystyle K_ {p} = {\ frac {p_ {C} ^ {c} \, p_ {D} ^ {d}} {p_ {A} ^ {a} \, p_ {B} ^ {b} }}}
где:
K п {\ displaystyle K_ {p}} = константа равновесия реакции
а {\ displaystyle a} = коэффициент реагента А {\ displaystyle A}
б {\ displaystyle b} = коэффициент реагента B {\ displaystyle B}
c {\ displaystyle c} = коэффициент продукта C {\ displaystyle C}
d {\ displaystyle d} = коэффициент продукта D {\ displaystyle D}
п C c {\ displaystyle p_ {C} ^ {c}} = парциальное давление, возведенное в степень C {\ displaystyle C} c {\ displaystyle c}
п D d {\ displaystyle p_ {D} ^ {d}} = парциальное давление, возведенное в степень D {\ displaystyle D} d {\ displaystyle d}
п А а {\ displaystyle p_ {A} ^ {a}} = парциальное давление, возведенное в степень А {\ displaystyle A} а {\ displaystyle a}
п B б {\ displaystyle p_ {B} ^ {b}} = парциальное давление, возведенное в степень B {\ displaystyle B} б {\ displaystyle b}

Для обратимых реакций изменения общего давления, температуры или концентраций реагентов будут сдвигать равновесие в пользу правой или левой стороны реакции в соответствии с принципом Ле Шателье. Однако кинетика реакции может противодействовать или усиливать сдвиг равновесия. В некоторых случаях кинетика реакции может быть решающим фактором, который следует учитывать.

Закон Генри и растворимость газов

Основная статья: закон Генри

Газы растворяются в жидкостях до степени, определяемой равновесием между нерастворенным газом и газом, растворенным в жидкости (называемым растворителем ). Константа равновесия для этого равновесия:

(1)     k знак равно п Икс C Икс {\ Displaystyle к = {\ гидроразрыва {p_ {x}} {C_ {x}}}}
где:
k {\ displaystyle k} = константа равновесия процесса сольватации
п Икс {\ displaystyle p_ {x}} = парциальное давление газа в равновесии с раствором, содержащим часть газа Икс {\ displaystyle x}
C Икс {\ displaystyle C_ {x}} = концентрация газа в жидком растворе Икс {\ displaystyle x}

Форма константы равновесия показывает, что концентрация растворенного газа в растворе прямо пропорциональна парциальному давлению этого газа над раствором. Это утверждение известно как закон Генри, а константа равновесия довольно часто упоминается как константа закона Генри. k {\ displaystyle k}

Закон Генри иногда записывают так:

(2)     k знак равно C Икс п Икс {\ displaystyle k '= {\ гидроразрыва {C_ {x}} {p_ {x}}}}

где также называется постоянной закона Генри. Как видно из сравнения уравнений (1) и (2) выше, является обратной величиной. Поскольку и то и другое можно назвать константой закона Генри, читатели технической литературы должны быть очень осторожны, чтобы отметить, какая версия уравнения закона Генри используется. k {\ displaystyle k '} k {\ displaystyle k '} k {\ displaystyle k}

Закон Генри - это приближение, которое применимо только к разбавленным идеальным растворам и к растворам, в которых жидкий растворитель не вступает в химическую реакцию с растворяемым газом.

В дайвинге дышащие газы

При подводном плавании физиологические эффекты отдельных составляющих газов дыхательных газов являются функцией парциального давления.

Используя термины погружения, парциальное давление рассчитывается как:

парциальное давление = (общее абсолютное давление) × (объемная доля газового компонента)

Для компонентного газа «i»:

р я = Р × F я

Например, на глубине 50 метров (164 фута) под водой общее абсолютное давление составляет 6 бар (600 кПа) (т.е. 1 бар атмосферного давления + 5 бар давления воды), а парциальные давления основных компонентов воздуха, кислорода 21% по объему и азот примерно 79% по объему:

pN 2 = 6 бар × 0,79 = 4,7 бар абс.
pO 2 = 6 бар × 0,21 = 1,3 бар абс.
где:
п я = парциальное давление газового компонента i = в терминах, используемых в этой статье п я {\ displaystyle P _ {\ mathrm {i}}}
п = полное давление = в терминах, используемых в этой статье п {\ displaystyle P}
F i = объемная доля газового компонента i = мольная доля, в терминах, используемых в этой статье Икс я {\ Displaystyle х _ {\ mathrm {я}}}
pN 2 = парциальное давление азота = в терминах, используемых в этой статье п N 2 {\ Displaystyle P _ {{\ mathrm {N}} _ {2}}}
pO 2 = парциальное давление кислорода = в терминах, используемых в этой статье п О 2 {\ Displaystyle P _ {{\ mathrm {O}} _ {2}}}

Минимальный безопасный нижний предел парциального давления кислорода в газовой смеси составляет 0,16 бар (16 кПа) абсолютного давления. Гипоксия и внезапная потеря сознания становятся проблемой при парциальном давлении кислорода менее 0,16 бар абсолютного давления. Кислородное отравление, включая судороги, становится проблемой, когда парциальное давление кислорода слишком высокое. Руководство NOAA Diving Manual рекомендует максимальное однократное воздействие: 45 минут при абсолютном давлении 1,6 бара, 120 минут при абсолютном давлении 1,5 бара, 150 минут при абсолютном давлении 1,4 бара, 180 минут при абсолютном давлении 1,3 бара и 210 минут при абсолютном давлении 1,2 бара. Отравление кислородом становится опасным, когда эти парциальные давления кислорода превышаются. Парциальное давление кислорода определяет максимальную рабочую глубину газовой смеси.

Наркоз - это проблема при вдыхании газов под высоким давлением. Как правило, максимальное общее парциальное давление наркотических газов, используемое при планировании технического дайвинга, может составлять около 4,5 бар абсолютного давления, исходя из эквивалентной наркотической глубины в 35 метров (115 футов).

Воздействие токсичного загрязнителя, такого как окись углерода, на вдыхаемый газ, также связано с парциальным давлением при вдыхании. Смесь, которая может быть относительно безопасной на поверхности, может быть опасно токсичной на максимальной глубине погружения, или допустимый уровень углекислого газа в дыхательном контуре дайвинг-ребризера может стать недопустимым в течение нескольких секунд во время спуска, когда парциальное давление быстро увеличивается., и может привести к панике или выведению из строя дайвера.

В медицине

Парциальные давления кислорода () и углекислого газа () являются важными параметрами при тестировании газов артериальной крови, но также могут быть измерены, например, в спинномозговой жидкости. п О 2 {\ displaystyle p _ {{\ mathrm {O}} _ {2}}} п C О 2 {\ displaystyle p _ {{\ mathrm {CO}} _ {2}}}

Референсные диапазоны для и п О 2 {\ displaystyle p _ {{\ mathrm {O}} _ {2}}} п C О 2 {\ displaystyle p _ {{\ mathrm {CO}} _ {2}}}
Ед. изм Газ артериальной крови Венозный газ крови Спинномозговая жидкость Альвеолярное давление газов в легких
п О 2 {\ displaystyle p _ {{\ mathrm {O}} _ {2}}} кПа 11–13 4,0–5,3 5,3–5,9 14,2
мм рт. ст. 75–100 30–40 40–44 107
п C О 2 {\ displaystyle p _ {{\ mathrm {CO}} _ {2}}} кПа 4,7–6,0 5,5–6,8 5,9–6,7 4.8
мм рт. ст. 35–45 41–51 44–50 36

Смотрите также

  • Дыхание газа  - газ, используемый для дыхания человека
  • Закон Генри  - Отношение равновесной растворимости газа в жидкости к его парциальному давлению в контактирующей газовой фазе
  • Идеальный газ  - математическая модель, которая приближает поведение реальных газов.
  • Молярная доля  - отношение одного компонента к общему количеству всех компонентов в смеси, выраженное в моль / моль.
    • Моль (единица)  - единица измерения количества вещества в системе СИ
  • Пар  - вещества в газовой фазе при температуре ниже критической точки.

Рекомендации

Последняя правка сделана 2023-04-21 06:43:22
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте