Парціальний тиск: що це таке та як його розрахувати?

Парціальний тиск – фундаментальна характеристика стану газу в суміші. Це поняття є основою розуміння поведінки реальних газів та його сумішей. Знання парціального тиску необхідне інженерам, хімікам, лікарям для правильних розрахунків та аналізу процесів за участю газів. У цій статті ми розберемо суть парціального тиску, зв'язок із загальним тиском суміші, формули для розрахунку та практичне застосування цих знань у науці та техніці.

Визначення

Парціальний тиск - це тиск, який надавав би даний газ, якби він один займав весь обсяг суміші при даній температурі. Воно характеризує активність молекул газу суміші.

Зв'язок із повним тиском

Повний тиск газової суміші дорівнює сумі парціальних тисків її компонентів згідно із законом Дальтона. Чим ближче до ідеального газ, тим точніше виконується цей закон.

Формули розрахунку

Для ідеального газу парціальний тиск розраховується за формулами, що ґрунтуються на законах Дальтона та Амага. Формули враховують обсяг, температуру, кількість речовини.

Застосування

Парціальний тиск застосовується у техніці, хімії, медицині. Воно важливе для розрахунків газових сумішей, роботи вакуумних систем, визначення розчинності та реакційної здатності газів.

Розрахунок парціального тиску практично

Розгляньмо конкретний приклад розрахунку парціального тиску для газової суміші. Нехай у посудині об'ємом 2 м3 при температурі 290К знаходиться гелій масою 0,2 г та водень масою 1 г. Знайдемо парціальний тиск гелію.

Спочатку визначаємо кількість молей кожного газу за формулою:

Де m – маса газу, М – його молярна маса. Молярна маса гелію 4 г/моль, водню 2 г/моль. Тоді:

n(He) = 0,2 г / 4 г/моль = 0,05 моль

n(H2) = 1 г / 2 г/моль = 0,5 моль

Далі знаходимо парціальний тиск гелію за формулою:

Де R = 8,31 Дж/(моль К) - газова стала, Т = 290 К - температура.

Підставляючи значення, отримуємо:

p(He) = (0,05 моль / 2 м3) * 8,31 Дж/(моль К) * 290 К = 608 Па

Відповідь: парціальний тиск гелію в цій суміші становить 608 Па.

Залежність парціального тиску від висоти

Парціальний тиск газу залежить від висоти над рівнем моря. У міру підйому парціальний тиск зменшується через зменшення густини повітря. Це особливо важливо для кисню. На висоті 5500 м парціальний тиск кисню падає вдвічі. Це призводить до кисневого голодування. Тому в горах і великих висотах необхідно враховувати зниження парціального тиску кисню. Це важливо для альпіністів, льотчиків, астронавтів.

Парціальний тиск у медицині

Парціальний тиск газів у крові та тканинах має велике клінічне значення. Наприклад, парціальний тиск кисню в артеріальній крові показує ефективність дихання та газообміну. Його зниження говорить про гіпоксію. Парціальний тиск вуглекислого газу характеризує виведення СО2 із тканин. Його підвищення вказує на гіперкапнію при захворюваннях легень. Таким чином, визначення парціального тиску газів важливе для діагностики та контролю лікування у клінічній практиці.

Застосування у промисловості

У промисловості контроль парціального тиску газів необхідний при зварюванні, різанні металів, напилюванні покриттів. Наприклад, при аргонодуговому зварюванні важливо підтримувати певний парціальний тиск аргону для стабільного горіння дуги.У металургії парціальний тиск кисню має регулюватися при виплавці сталі для отримання необхідних властивостей.

Таким чином, контроль парціального тиску важливий у багатьох промислових процесах.

Парціальний тиск у наукових дослідженнях

У наукових дослідженнях парціальний тиск використовується для вивчення фізико-хімічних властивостей газів та реакцій за їх участю. Наприклад, у хімії парціальний тиск дозволяє розрахувати константи рівноваги реакцій згідно із законом діючих мас. У фізиці за допомогою парціального тиску вивчають кінетичні процеси в газах, будують моделі тепло- та масообміну. Таким чином, вчені використовують це поняття для кількісного опису різних явищ за участю газів.

Роль парціального тиску у хімічній рівновазі

Парціальний тиск відіграє важливу роль у встановленні хімічної рівноваги у газових сумішах. Згідно з принципом Ле Шательє, зі збільшенням парціального тиску одного з продуктів реакції рівновага зміщується у бік реагентів. Це використовується, наприклад, при синтезі аміаку з азоту та водню. Підвищення парціального тиску аміаку призводить до усунення рівноваги у бік вихідних газів. Таким чином, регулюючи парціальний тиск, можна впливати на вихід цільового продукту в газофазних реакціях.

Вплив температури на парціальний тиск

Відповідно до рівняння Менделєєва-Клапейрона, парціальний тиск газу прямо пропорційно до абсолютної температури:

Тому за підвищення температури парціальний тиск зростає. Цей ефект важливо враховувати у закритих обсягах, наприклад, у газових балонах. Зростання тиску може призвести до вибуху ємності. Тому газові балони розраховуються на роботу у певному температурному діапазоні.

Парціальний тиск у замкнутих обсягах

У замкнутому об'ємі за постійної температури сума парціальних тисків газів залишається незмінною. Ця властивість використовується в дихальних апаратах та підводних човнах. Підвищення парціального тиску одного газу призводить до зниження тиску інших. Тому в дихальних сумішах для водолазів ретельно контролюють парціальний тиск кисню, азоту та гелію.

Дифузія газів під дією парціального тиску

Гази дифундують із зони з більшим парціальним тиском у зону з меншим. Це використовується в мембранних технологіях поділу газів, наприклад, виділення азоту з повітря. Швидкість дифузії пропорційна градієнту парціального тиску згідно із законом Фіка.

Парціальний тиск в адсорбції та хроматографії

У адсорбції газів на твердих поверхнях також важливу роль відіграє парціальний тиск. Чим вищий парціальний тиск, тим більше газу адсорбується. Це використовується у хроматографічному поділі газів. Компоненти суміші послідовно елююються з адсорбенту у разі підвищення парціального тиску.

Вплив парціального тиску на розчинність газів

Згідно із законом Генрі, розчинність газу в рідині прямо пропорційна його парціальному тиску над розчином. Чим вищий парціальний тиск, тим більше газу може розчинитись. Ця властивість використовується для насичення напоїв вуглекислим газом. Підвищений парціальний тиск CO2 призводить до кращого насичення. Аналогічно, зниження парціального тиску кисню над водою призводить до виділення розчиненого кисню як бульбашок.

Вплив атмосферного тиску на парціальний тиск

Зі зменшенням атмосферного тиску парціальний тиск кисню також знижується.Це призводить до гіпоксії на висотах. У містах, розташованих високо над рівнем моря, парціальний тиск кисню нижчий. Це важливий чинник для людей із захворюваннями легень. Тому під час підйому в гори рекомендується поступова адаптація для компенсації зниженого парціального тиску.

Регулювання парціального тиску у теплицях

У закритих теплицях використовується регулювання парціального тиску CO2 для покращення фотосинтезу рослин. Оптимальна концентрація CO2 підтримується за допомогою датчиків та подачі вуглекислого газу у повітря теплиці. Це дозволяє на 20-40% підвищити врожайність у тепличному господарстві порівняно з відкритим ґрунтом.

Парціальний тиск пари води та вологість повітря

Парціальний тиск водяної пари характеризує вологість повітря. Чим вищий парціальний тиск, тим повітря вологіше. Контроль вологості важливий для запобігання конденсації вологи в приміщеннях та технологічних процесах. Датчики парціального тиску H2O використовуються в системах вентиляції, кондиціювання, сушіння.

Вимірювання парціального тиску газів

Для вимірювання парціального тиску застосовуються різні датчики – тензометричні, оптичні, термохімічні. Існують портативні газоаналізатори для експрес-контролю складу повітря за парціальними тисками газів. Точні лабораторні методи ґрунтуються на манометрії, вакуумних вимірах, хроматографії.

Чому рівень CO2 в атмосфері так стривожив вчених?

Середній рівень вмісту вуглекислого газу в атмосфері нашої планети у 2015 році вперше за час спостережень сягнув критичної позначки 400 часток на мільйон, повідомила Всесвітня метеорологічна організація.

Критичний рівень вмісту діоксиду вуглецю зафіксувала станція моніторингу повітря на Гаваях.

За словами метеорологів, востаннє рівень вмісту СО2 в атмосфері Землі регулярно піднімався понад 400 часток на мільйон у період від трьох до п'яти мільйонів років тому.

Як припускають експерти, вміст вуглекислого газу в атмосфері не опуститься нижче за 400 часток на мільйон протягом усього 2016 року, а можливо, що й у найближчі десятиліття.

Що це означає для нас із вами?

Ведучий програми "П'ятий поверх" Олександр Баранів обговорює тему з директором програми "Клімат та енергетика" Світового фонду дикої природи Олексіїм Кокорінїм та старшим науковим співробітником Інституту екології рослин та тварин уральського відділення Російської академії наук Євгеніїм Зінов'євїм.

Александр Баранів: 400 частин на мільйон для простої людини, яка не розуміється на кліматичних питаннях, зате вчив арифметику в школі, це дуже мало. Так само мало, як 200, 100 або 500. Особливо, коли йдеться про газ без кольору та запаху. Чому раптом так переполошилися вчені?

Алексій Кокорін: CO2 - це один із газів, що створюють парниковий ефект, другий після водяної пари, і головний газ, на концентрацію якого в атмосфері впливає людина.

І те, що людина не впливає на вміст водяної пари, не сильно полегшує справу, тому що вплив на вміст CO2 велике, і ізотопним аналізом доведено, що цей CO2 саме від спалювання палива. Це багато.

Число дуже маленьке, але це на 30% більше, ніж 50-60 років тому. До цього рівень був постійний протягом багато часу, є дані прямих вимірів.

А.Б.:Вчені зараз погоджуються з тим, що CO2 впливає на зміну клімату, а не навпаки? Якийсь час тому деякі вчені казали, що зростання викиду вуглекислого газу впливає нагрівання океану. А людина порівняно з океаном викидає набагато менше CO2 в атмосферу. Який зараз консенсус із цього приводу?

А.К.: Консенсус майже повний. Я згадав ізотопний аналіз, тому що в минулому, і це також доведено, спочатку змінювалася температура, а потім концентрація CO2.

Це було в перехідний період між льодовиковими періодами та в інших випадках. Кореляція йшла у такій послідовності. Тут кореляція йде у інший послідовності. Але головне є докази ізотопного аналізу. Тут є консенсус.

Евгеній Зінов'їв: Я не кліматолог, я палеонтолог. У нас в інституті ми спостерігаємо на півночі, в Арктиці підвищення як вмісту CO2, і це показано нашими колегами дендрохронологами, так і супутні зміни - це настання кордону лісу. У нас проводиться моніторинг ландшафтів північної частини Західно-Сибірської рівнини та Полярного та приполярного Уралу, і протягом останніх сорока років північний кордон лісу зміщується на північ.

Це ще не досягає меж, які були в кліматичному оптимумі голоцену, коли деревна рослинність досягала середнього Ямала, але процес йде в тому напрямку і опосередковано пов'язаний з потеплінням клімату. Деревні рослини займають поступово території, від яких колись відступили.

Те потепління, яке ми зараз спостерігаємо - не найважливіше, зараз не найтепліший клімат. Я можу порівнювати з недавнім геологічним минулим – останні 130-140 тисяч років.Цей період називається Микулінське міжльодовик, і тоді рослини і теплолюбні тварини просувалися на північ набагато далі, ніж зараз.

У наш час, за об'єктивними даними, поки що таких рівнів не досягнуто. Але те потепління було дуже короткочасним, лише близько 5 тисяч років. Потім воно змінилося похолоданням, потім знову потеплінням, і потім настав тривалий холодний період, зирянське заледеніння, яке теж поділялося на тепліші і холодніші епохи. Тоді почав формуватись скандинавський льодовиковий щит.

А.Б.:Тобто вВи говорите про похолодання в Середньовічний період?

Є.З.: Це ви кажете про історичні часи, а я маю на увазі раніше межі. Це пізній плейстоцен.

А.Б.:А які висновки із цього робити нам, нефахівцям? Противники теорії глобального потепління, спричиненого людською діяльністю, кажуть, що ми просто перебуваємо у періоді певного циклу і з цим пов'язані різні коливання концентрації CO2.

Вуглекислий газ – їжа для рослин. У процесі фотосинтезу рослини поглинають вуглекислий газ, виділяють в атмосферу кисень, і чим вище вміст вуглекислого газу, тим активніше рослини починають його споживати і швидше вони ростуть.

Є.З.: Розвитку деревної рослинності немає, навпаки. У Північній Америці, південній Європі ліси горять, лісова рослинність деградує, йде аридизація, осушення клімату. Легкі планети скорочуються.

А.Б.:А чому це відбувається? По ідеї вони повинні розширюватися?

Є.З.: Клімат – багатовекторна система, можуть бути різні фактори, які ми не завжди можемо враховувати. Існує думка, що почнуть танути льодовики, що пов'язане з потеплінням клімату, а це відбувається.

Деградує і Гренландський льодовиковий щит, і в Арктиці те велика кількість прісної води, що вивільнилася, може змінити напрям руху Гольфстріму. Тоді ця піч для Європи перестане обігрівати північ Європи, і там знову розпочнеться утворення льодовиків. Це буде дуже погано.

Різке потепління може дати поштовх різкому похолоданню. Льодовикова шапка акумулює воду, починається висушування клімату. Зникають суцільні ліси, утворюються рідкісні ліси. Клімат стає сухим, холодним, континентальним, і він таким стає не тільки в Сибіру, ​​а й у Європі теж.

Все дуже складно та взаємопов'язано. Я не став би це спрощувати, треба враховувати і сучасний фактор – збільшення викидів CO2, пов'язане з промисловою діяльністю людини, з наявністю великої кількості виробництв, машин тощо – з цим не посперечаєшся. Особливо у великих мегаполісах, де зосереджено великі виробництва.

Але інше питання, які наслідки це матиме. Людство звикло жити за певних комфортних умов. Якщо почнеться збільшення чи зменшення рівня Світового океану, то почнуться катастрофи. Їх може спровокувати антропогенний вплив. Людство не так мало, щоб не впливати на природну обстановку. Воно стало геологічним фактором, а не тільки біологічним, воно змінює фундаментальніші речі в біосфері, в земній корі.

А.Б.:Допустимо, людство зможе скоротити викид CO2. Але це лише один із факторів, і не найбільший. Чи може це щось змінити, чи призвести до якогось різкого поліпшення ситуації?

А.К.:Дуже важливо, з погляду фізики атмосфери та океану, розуміти, що відбувається.Відбуваються два процеси: це процес природної мінливості клімату - сонце, найнаочніше, складні періодичні процеси в океані, Атлантичному, Тихому.

Є й більш вивчені речі - перетікання тепла з атмосфери в океан і назад, які мають циклічний характер. Ці циклічні процеси накладаються на постійну дію, яка має лінійний характер.

За XXI століття очікується підвищення температури у кращому випадку на два градуси, але реально – на три чи три з половиною. І при цьому циклічно будуть похолодання та потепління, причому потепління - набагато швидше. І зовсім не очевидно, що збільшення числа небезпечних гідрологічних явищ при зниженні температури поменшає.

А.Б.:Це дуже складно зрозуміти людині, яка не займається цією проблемою і здебільшого дивиться науково-популярні передачі, де ці питання примітивізуються, спрощуються, але прості аргументи діють на свідомість простої людини, яка дивиться на це збоку.

Коли йому дають графік зміни температури в XX віці і кажуть: дивіться, поки людина особливо не впливала на атмосферу, температура піднімалася, а коли вона почала впливати, коли індустріалізація була потужнішою після 1940 до 1970 року, коли ситуація мала погіршитися, ми спостерігали похолодання.

На основі таких графіків люди кажуть, що людина насправді не впливає, є якісь потужніші фактори, які не залежать від нас. Тому розмови про роль людини у глобальному потеплінні – міф, за яким стоять ті, кому це вигідно.

Є.З.: Начитає спрацьовувати кумулятивний ефект, вплив людини йде наростаючою.На якомусь етапі воно може не виявлятися, але потім, у міру збільшення концентрації CO2, парникових газів, воно рано чи пізно проявляється фактично по всій земній кулі. Як у розвинених районах, і на півночі, в Арктиці.

Антропогенний фактор накладається на астрономічні фактори, пов'язані з орбітою руху Землі, циклічність сильно проявляється і так далі. І коли всі один на одного накладаються, можуть статися абсолютно непередбачувані події.

І антропогенний вплив все збільшуватиметься, навіть якщо будуть введені обмеження на виробництво і так далі. Дуже багато випускається автомобілів, які забруднюють атмосферу дуже сильно. та інші фактори. Вони нікуди не підуть.

А трав'яна та деревна рослинність не збільшується, а, навпаки, відбувається деградація лісового покриву.

А.Б.:Але ми бачили й повідомлення іншого, що в Бразилії раптом почали рости ліси Амазонки.

Є.З.: Це є, але ви подивіться, що в Америці відбувається? На південному заході, у Каліфорнії? Там є масові лісові пожежі. Потрібен час, щоби після пожежі ліс відновився. Після пожежі кілька років минає, перш ніж ліс починає підростати. А де сухо, він просто перестає рости. Ліс перетворюється на степ, пустелю і таке інше.

А.Б.:Це серйозні чинники, але для повсякденного свідомості важко це поєднати з його діяльністю. Можна дотримуватись теорії, що діяльність людини - це остання крапля, яка може переважити екологічний баланс на тлі серйозніших факторів. Але коли кажуть, що є такий фактор, як плями на Сонці, активізація Сонця, яке є потужним джерелом енергії, порівняно з яким вся наша діяльність - дрібниця, навіть порівнювати неможливо.

Тож показують графіки - коли Сонце активно, температура підвищується, і коли менш активно - знижується, усе це корелюється. Потім кажуть, що все залежить від того, якою орбітою Земля рухається. Якщо орбіта еліптична – стає холоднішою. І коли все це людині говорять, вона думає: ну що, порівняно з такими космічними явищами, наші нещасні викиди в атмосферу. Як можна переконати людину, що ми своїми діями можемо порушити цей баланс?

Є.З.:Треба якось переконувати, бо це справді фактор не останній. Наприклад, ліси горять і без людини – сухі грози тощо. Але людська діяльність цьому сприяє. Кожен має починати з себе. Люди повинні розуміти, що від них багато залежить.

Одна людина може сказати: я робитиму, що вважаю за потрібне, все одно від мене нічого не залежить. Але людей – мільйони, і якщо кожен так рахуватиме, від цього краще не буде. Відсталість людського мислення існує, на жаль.

А.Б.:Як переконати людину, що її машина, на якій він проїде зайві п'ять кілометрів теж впливає на клімат, навіть на тлі того, що Земля на еліптичній орбіті, а не на якійсь іншій?

А.К.: Російські кліматологи, і не тільки російські, думали, як це наочно показати. Ймовірні реакції Сонця через 15-20 років з високою ймовірністю знизять температуру на земній кулі приблизно на 0,25 градуса. А антропогенний вплив – як мінімум на два градуси. Також було й у 30-40 роки сучасності.

І ще характерна річ така: прогріваються і стратосфера, і тропосфера. Тобто у вас ніби парникова плівка, і, якщо гріється над плівкою і під плівкою, значить - лампочка стала гріти сильніше. А якщо під плівкою гріється, а над плівкою холоднішає – отже, плівка стала товщою.Ось якось так наочно можна спробувати пояснити.

А.Б.:Ви припускаєте ймовірність, що ми справді перебуваємо між двома льодовиковими періодами і щось станеться, і почнеться похолодання на Землі?

Є.З.: Ваше питання говорить про те, що ми з колегою говоримо погано. Безумовно, ми знаходимося між двома льодовиковими періодами, тим, який закінчився приблизно 300 тис. років тому, і тим, що почнеться через кілька тисяч років – може бути 20, може бути, 100. Про це мій колега як кліматолог знає краще. Але це буде абсолютно точно. Ми говоримо про інші тимчасові масштаби. У цих масштабах вплив людини на глобальне потепління не може розглядатись, це сотні тисяч років.

А.Б.:Тобто, ми можемо до цього похолодання не дожити?

Є.З.: На жаль, точно не доживемо до глобального похолодання, навіть із наших правнуків ніхто не доживе. Чи будуть періоди похолодання протягом ХХІ століття? Так, мабуть будуть. Ми живемо в епоху накладання різних варіацій, зокрема сонячних, на глобальний тренд.

Завантажити подкаст передачі "П'ятий поверх" можна тут.