Das spezifische Volumen ist eine charakteristische intensive Eigenschaft jedes Elements oder Materials. Es ist mathematisch definiert als die Beziehung zwischen dem Volumen, das von einer bestimmten Menge Materie (einem Kilogramm oder einem Gramm) eingenommen wird; Mit anderen Worten, es ist der Kehrwert der Dichte.
Die Dichte gibt an, wie viel 1 ml Materie wiegt (flüssig, fest, gasförmig oder ein homogenes oder heterogenes Gemisch), während sich das spezifische Volumen auf das Volumen bezieht, das 1 g (oder 1 kg) davon einnimmt. Wenn man also die Dichte eines Stoffes kennt, reicht es aus, den Kehrwert zu berechnen, um sein spezifisches Volumen zu bestimmen.
Worauf bezieht sich das Wort "spezifisch"? Wenn eine Eigenschaft als spezifisch bezeichnet wird, bedeutet dies, dass sie als Funktion der Masse ausgedrückt wird, was ihre Umwandlung von einer umfangreichen Eigenschaft (die von der Masse abhängt) in eine intensive Eigenschaft (kontinuierlich an allen Punkten im System) ermöglicht.
Die Einheiten, in denen das spezifische Volumen normalerweise ausgedrückt wird, sind (m 3 / kg) oder (cm 3 / g). Obwohl diese Eigenschaft nicht von der Masse abhängt, hängt sie von anderen Variablen ab, wie z. B. der auf die Substanz einfallenden Temperatur oder dem Druck. Dies führt dazu, dass ein Gramm Substanz bei höheren Temperaturen mehr Volumen einnimmt.
Vom Wasser
Im ersten Bild sehen Sie einen Wassertropfen, der sich mit der Oberfläche der Flüssigkeit vermischt. Da es sich natürlich um eine Substanz handelt, nimmt ihre Masse wie jede andere Volumen ein. Dieses makroskopische Volumen ist ein Produkt des Volumens und der Wechselwirkungen seiner Moleküle.
Das Wassermolekül hat die chemische Formel H 2 O mit einer Molekülmasse von ungefähr 18 g / mol. Die Dichte, die es präsentiert, hängt auch von der Temperatur ab, und auf einer Makroskala wird die Verteilung seiner Moleküle als so homogen wie möglich angesehen.
Bei den Dichtewerten ρ bei einer Temperatur T reicht es zur Berechnung des spezifischen Volumens an flüssigem Wasser aus, die folgende Formel anzuwenden:
v = (1 / ρ)
Sie wird berechnet, indem die Dichte des Wassers experimentell mit einem Pyknometer bestimmt und anschließend die mathematische Berechnung durchgeführt wird. Da sich die Moleküle jeder Substanz voneinander unterscheiden, wird sich auch das resultierende spezifische Volumen unterscheiden.
Wenn die Dichte von Wasser über einen weiten Temperaturbereich 0,997 kg / m 3 beträgt, beträgt sein spezifisches Volumen 1,003 m 3 / kg.
Aus der Luft
Luft ist ein homogenes Gasgemisch, das hauptsächlich aus Stickstoff (78%), gefolgt von Sauerstoff (21%) und schließlich anderen Gasen in der Erdatmosphäre besteht. Seine Dichte ist ein makroskopischer Ausdruck all dieser Molekülmischungen, die nicht effizient interagieren und sich in alle Richtungen ausbreiten.
Da angenommen wird, dass die Substanz kontinuierlich ist, ändert ihre Ausbreitung in einem Behälter ihre Zusammensetzung nicht. Wiederum kann durch Messen der Dichte bei den beschriebenen Temperatur- und Druckbedingungen bestimmt werden, welches Volumen 1 g Luft einnimmt.
Da das spezifische Volumen 1 / ρ beträgt und sein ρ kleiner als das von Wasser ist, ist sein spezifisches Volumen größer.
Die Erklärung für diese Tatsache basiert auf den molekularen Wechselwirkungen von Wasser und Luft; Letzteres kondensiert auch bei Luftfeuchtigkeit nur, wenn es sehr kalten Temperaturen und hohen Drücken ausgesetzt ist.
Aus Dampf
Wird ein Gramm Dampf unter den gleichen Bedingungen ein größeres Volumen einnehmen als ein Gramm Luft? Luft ist in der Gasphase dichter als Wasser, da es sich im Gegensatz zu Wassermolekülen um ein oben genanntes Gasgemisch handelt.
Da das spezifische Volumen das Gegenteil der Dichte ist, nimmt ein Gramm Dampf mehr Volumen ein (es ist weniger dicht) als ein Gramm Luft.
Die physikalischen Eigenschaften von Dampf als Flüssigkeit sind in vielen industriellen Prozessen von wesentlicher Bedeutung: in Wärmetauschern, um die Luftfeuchtigkeit zu erhöhen, unter anderem Maschinen zu reinigen.
Beim Umgang mit großen Dampfmengen in der Industrie sind viele Variablen zu berücksichtigen, insbesondere in Bezug auf die Mechanik von Flüssigkeiten.
Stickstoff
Wie der Rest der Gase hängt seine Dichte erheblich vom Druck (im Gegensatz zu Feststoffen und Flüssigkeiten) und von der Temperatur ab. Somit variieren die Werte für sein spezifisches Volumen gemäß diesen Variablen. Daher muss das spezifische Volumen bestimmt werden, um das System in Form intensiver Eigenschaften auszudrücken.
Ohne experimentelle Werte ist es aus molekularen Gründen schwierig, die Dichte von Stickstoff mit der anderer Gase zu vergleichen. Das Stickstoffmolekül ist linear (N≡N) und das von Wasser ist eckig.
Da eine "Linie" weniger Volumen einnimmt als ein "Bumerang", kann erwartet werden, dass Stickstoff nach der Definition der Dichte (m / V) dichter als Wasser ist. Unter Verwendung einer Dichte von 1,2506 kg / m 3 beträgt das spezifische Volumen unter den Bedingungen, unter denen dieser Wert gemessen wurde, 0,7996 m 3 / kg; es ist einfach das Gegenteil (1 / ρ).
Vom idealen Gas
Das ideale Gas ist eines, das der Gleichung folgt:
P = nRT / V.
Es ist ersichtlich, dass die Gleichung keine Variablen wie die Molekülstruktur oder das Volumen berücksichtigt; Es wird auch nicht berücksichtigt, wie Gasmoleküle in einem vom System definierten Raum miteinander interagieren.
In einem begrenzten Temperatur- und Druckbereich „verhalten“ sich alle Gase gleich. Aus diesem Grund kann bis zu einem gewissen Grad davon ausgegangen werden, dass sie der idealen Gasgleichung entsprechen. Somit können aus dieser Gleichung mehrere Eigenschaften von Gasen bestimmt werden, einschließlich des spezifischen Volumens.
Um es zu lösen, ist es notwendig, die Gleichung in Form der Dichtevariablen auszudrücken: Masse und Volumen. Die Mol werden durch n dargestellt, und dies ist das Ergebnis der Division der Masse des Gases durch seine Molekülmasse (m / M).
Unter Verwendung der variablen Masse m in der Gleichung kann die Dichte erhalten werden, wenn sie durch das Volumen geteilt wird; Von hier aus reicht es aus, die Dichte zu löschen und dann beide Seiten der Gleichung "umzudrehen". Auf diese Weise wird schließlich das spezifische Volumen bestimmt.
Das Bild unten zeigt jeden der Schritte, um zum endgültigen Ausdruck des spezifischen Volumens eines idealen Gases zu gelangen.
Verweise
- Wikipedia. (2018). Bestimmtes Volumen. Entnommen aus: en.wikipedia.org
- Study.com. (21. August 2017). Was ist das spezifische Volumen? - Definition, Formel und Einheiten Entnommen aus: study.com
- TOPF. (5. Mai 2015). Bestimmtes Volumen. Entnommen aus: grc.nasa.gov
- Michael J. Moran und Howard N. Shapiro. (2004). Grundlagen der technischen Thermodynamik. (2. Auflage). Editorial Reverté, Seite 13.
- Einheit 1: Konzepte der Thermodynamik. . Entnommen aus: 4.tecnun.es
- TLV. (2018). Hauptanwendungen für Steam. Entnommen aus: tlv.com