Máy tính áp suất riêng phần

Máy tính áp suất riêng phần xác định áp suất mà một chất khí đóng góp trong hỗn hợp khí. Công cụ này sử dụng định luật Dalton: nhập tổng áp suất và phần mol của từng chất khí, rồi công cụ trả về phần áp suất do mỗi chất khí tạo ra.

Áp suất riêng phần là gì?

Một hỗn hợp khí, chẳng hạn như không khí, chứa nhiều chất khí khác nhau được giữ kín trong cùng một không gian. Mỗi chất khí tác dụng lực lên thành bình chứa như thể nó ở một mình trong đó. Lực đẩy do một chất khí riêng lẻ tạo ra được gọi là áp suất riêng phần của chất khí đó.

Nhà hóa học người Anh John Dalton đã mô tả hiện tượng này vào năm 1801. Quy tắc của ông, nay được gọi là định luật Dalton về áp suất riêng phần, phát biểu rằng tổng áp suất của một hỗn hợp khí bằng tổng các áp suất mà từng chất khí sẽ tạo ra nếu ở riêng:

$P_{total} = P_1 + P_2 + P_3 + \dots + P_n$

Điều này đúng với khí lý tưởng, một mô hình đơn giản hóa trong đó các phân tử khí không hút hoặc tương tác với nhau. Không khí ở mức áp suất thông thường có tính chất đủ gần với mô hình này để định luật cho kết quả chính xác.

Công thức áp suất riêng phần

Áp suất riêng phần của một chất khí bằng phần mol của chất khí đó nhân với tổng áp suất:

$P_i = X_i \times P_{total}$

$P_i$ là áp suất riêng phần của chất khí $i$ .
$X_i$ là phần mol của chất khí $i$ , một giá trị nằm giữa 0 và 1.
$P_{total}$ là tổng áp suất của hỗn hợp.

Phần mol là tỷ phần của tổng số hạt khí thuộc về một chất khí:

$X_i = \frac{n_i}{n_{total}}$

Ở đây, $n_i$ là số mol của chất khí $i$ , còn $n_{total}$ là tổng số mol của tất cả các chất khí trong hỗn hợp. Vì mỗi hạt khí đều thuộc về một thành phần nào đó, tổng các phần mol trong một hỗn hợp phải bằng 1.

Cách tính áp suất riêng phần: ví dụ

Giả sử một bình kín chứa hỗn hợp khí có tổng áp suất là 2 atm, gồm:

Oxy (O₂): phần mol 0,21
Nitơ (N₂): phần mol 0,78
Cacbon dioxide (CO₂): phần mol 0,01

Nhân mỗi phần mol với tổng áp suất:

Oxy: $0.21 \times 2 = 0.42$ atm
Nitơ: $0.78 \times 2 = 1.56$ atm
Cacbon dioxide: $0.01 \times 2 = 0.02$ atm

Để kiểm tra, ba áp suất riêng phần cộng lại bằng tổng áp suất: $0.42 + 1.56 + 0.02 = 2.00$ atm.

Điều này có ý nghĩa trong thực tế. Trong liệu pháp oxy cao áp, bác sĩ tăng tổng áp suất của khí mà bệnh nhân hít vào, nhờ đó làm tăng áp suất riêng phần của oxy dù tỷ lệ oxy trong hỗn hợp khí vẫn giữ nguyên. Áp suất riêng phần của oxy cao hơn đưa nhiều oxy hơn vào máu.

Cách sử dụng máy tính áp suất riêng phần

Nhập tổng áp suất của hỗn hợp và chọn đơn vị được sử dụng: atm, kilopascal (kPa) hoặc milimét thủy ngân (mmHg).
Đặt tên cho từng chất khí và nhập phần mol của chất khí đó. Chọn "Add Component" để thêm một chất khí khác, hoặc chọn "Clear" trên một hàng để xóa chất khí đó. Các phần mol phải nằm giữa 0 và 1, đồng thời tổng của chúng trên tất cả các thành phần phải bằng 1, trong phạm vi sai số làm tròn nhỏ.
Kết quả xuất hiện ngay khi các mục nhập hợp lệ. Không có bước tính riêng. Mỗi chất khí có một thẻ kết quả riêng, được làm tròn đến bốn chữ số thập phân; biểu đồ thanh bên dưới cho biết tổng áp suất được phân chia giữa các chất khí như thế nào.
Chọn "Copy Results" để sao chép các số dưới dạng văn bản thuần túy cho báo cáo phòng thí nghiệm hoặc bảng tính.

Trang mở ra với một hỗn hợp mẫu: không khí khô ở 1 atm, gồm oxy 0,21 và nitơ 0,79. Chọn "Reset" để trở về hỗn hợp này.

Máy tính kiểm tra dữ liệu nhập trước khi hiển thị kết quả. Máy sẽ báo lỗi nếu tổng áp suất bị bỏ trống, bằng 0 hoặc âm; nếu thành phần nào đó thiếu tên; hoặc nếu tổng các phần mol không bằng 1.

Các đơn vị áp suất

Bộ chọn đơn vị chỉ gắn nhãn cho các giá trị, không chuyển đổi chúng. Các áp suất riêng phần được trả về cùng đơn vị với tổng áp suất đã nhập. Nhập 760 và chọn mmHg thì kết quả có đơn vị mmHg. Nhập 1 và chọn atm thì kết quả có đơn vị atm. Nếu thay đổi bộ chọn sau đó, hệ thống chỉ đổi nhãn của kết quả mà không thay đổi tỷ lệ giá trị.

Định luật Dalton áp dụng được với mọi đơn vị áp suất, vì vậy không cần chuyển đổi miễn là tổng áp suất được nhập theo đơn vị mong muốn cho kết quả. Để tự chuyển đổi giữa ba đơn vị:

1 atm = 101,325 kPa
1 atm = 760 mmHg
1 kPa = 7,5006 mmHg

Các khóa học hóa học thường sử dụng atm. Trong y học, khí máu thường được báo cáo bằng mmHg. Các lĩnh vực kỹ thuật thường sử dụng kPa. Máy tính không cung cấp đơn vị bar hoặc psi.

Ứng dụng của áp suất riêng phần

Sinh lý học hô hấp. Oxy di chuyển từ phổi vào máu, còn cacbon dioxide di chuyển theo chiều ngược lại, do chênh lệch áp suất riêng phần chứ không phải tổng áp suất. Không khí trong phổi thường có áp suất riêng phần của oxy khoảng 100 mmHg, trong khi máu từ cơ thể trở về mang oxy ở áp suất riêng phần thấp hơn, nên oxy đi vào máu theo gradien đó.

Kỹ thuật hóa học. Tốc độ phản ứng trong các quá trình pha khí, chẳng hạn như tổng hợp amoniac, phụ thuộc vào áp suất riêng phần của các chất khí phản ứng chứ không chỉ tổng áp suất của hệ thống. Người thiết kế tháp chưng cất và thiết bị tách khí cũng làm việc trực tiếp với áp suất riêng phần.

Khoa học môi trường. Cacbon dioxide trong khí quyển hiện đã vượt quá 420 phần triệu và vẫn đang tăng. Dù nhỏ, áp suất riêng phần của nó góp phần thúc đẩy phần lớn sự nóng lên bổ sung liên quan đến chất khí này. Tương tự, nồng độ oxy hòa tan trong hồ và sông phụ thuộc vào áp suất riêng phần của oxy trong không khí trên mặt nước, theo mối quan hệ gọi là định luật Henry.

Khi định luật Dalton không còn phù hợp

Định luật Dalton giả định rằng các phân tử khí không tương tác với nhau. Giả định đó không còn đúng ở áp suất cao hoặc nhiệt độ thấp, khi các phân tử ở đủ gần nhau để lực tương tác giữa các phân tử trở nên đáng kể. Chẳng hạn, quá trình xử lý khí tự nhiên ở áp suất cao thường cần sử dụng đại lượng nâng cao hơn là độ đào tẩu thay cho áp suất riêng phần đơn giản. Định luật Dalton cũng không mô tả áp suất hơi của chất lỏng; đại lượng này phụ thuộc vào nhiệt độ và bản thân chất đó, chứ không phụ thuộc vào phần mol trong hỗn hợp khí.

Các câu hỏi thường gặp

Định luật Dalton về áp suất riêng phần là gì? Định luật này phát biểu rằng trong một hỗn hợp các chất khí không phản ứng với nhau, tổng áp suất bằng tổng các áp suất mà từng chất khí sẽ tạo ra nếu nó một mình lấp đầy bình chứa ở cùng nhiệt độ.

Làm thế nào để tính áp suất riêng phần của một chất khí? Nhân phần mol của chất khí với tổng áp suất của hỗn hợp: $P_i = X_i \times P_{total}$ . Ví dụ, một chất khí có phần mol 0,30 trong hỗn hợp ở 4 atm có áp suất riêng phần là $0.30 \times 4 = 1.2$ atm.

Tại sao các phần mol phải cộng lại bằng 1? Phần mol đo tỷ phần của tất cả các hạt khí do một thành phần tạo nên. Vì mỗi hạt đều thuộc về một thành phần nào đó, các tỷ phần phải bao quát toàn bộ hỗn hợp, nên tổng của chúng chính xác bằng 1.

Áp suất riêng phần có thể lớn hơn tổng áp suất không? Không. Phần mol không thể vượt quá 1, vì vậy phần đóng góp của một chất khí không bao giờ có thể vượt quá toàn bộ hỗn hợp. Nếu máy tính báo rằng tổng các phần mol lớn hơn 1, có thể người dùng đã nhập phần trăm thay cho số thập phân, chẳng hạn nhập 21 thay vì 0,21.

Máy tính hỗ trợ những đơn vị áp suất nào? Atm, kilopascal (kPa) và milimét thủy ngân (mmHg). Bộ chọn chỉ gắn nhãn đơn vị cho các giá trị đã nhập và được trả về; nó không chuyển đổi giữa các đơn vị và không cung cấp bar hoặc psi.

Áp suất riêng phần khác áp suất hơi như thế nào? Áp suất riêng phần là phần đóng góp của một chất khí vào tổng áp suất trong hỗn hợp và phụ thuộc vào phần mol. Áp suất hơi là áp suất do hơi của một chất tinh khiết tạo ra khi ở trạng thái cân bằng với chất lỏng hoặc chất rắn của chính nó, và chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ.

Lịch sử

John Dalton đề xuất định luật áp suất riêng phần vào 1801 và công bố định luật này trong cuốn sách A New System of Chemical Philosophy xuất bản năm 1808. Công trình của ông xuất hiện cùng với các định luật khí sơ khai khác, bao gồm định luật Boyle (1662), mô tả mối quan hệ giữa áp suất và thể tích, và định luật Charles (1787), mô tả mối quan hệ giữa thể tích và nhiệt độ. Cùng với định luật Avogadro (1811), những ý tưởng này đã dẫn đến phương trình khí lý tưởng, $PV = nRT$ , hiện vẫn là cơ sở cho hầu hết các phép tính khí trong đời sống hằng ngày.

Máy Tính Áp Suất Riêng | Hỗn Hợp Khí & Định Luật Dalton