Закон на Бойл, закон на Чарлз и закон на Г. Лусак
Законът на Бойл
Робърт Бойл (1627–1691) провежда експерименти, за да изследва количествената връзка между налягането на газа и обема. Този експеримент включва поставяне на определено количество газ в затворен съд. С доста добро приближение той открива, че ако температурата на газа се поддържа постоянна, тогава с увеличаване на налягането на газа обемът на газа намалява. По същия начин, когато налягането на газа намалява, обемът на газа се увеличава. Налягането на газа е обратно пропорционално на обема на газа. Тази връзка е известна като Законът на БойлМатематически:
Законът на Бойл може да се запише и като:
PV = константа → уравнение 1
P1 V1 = Р2 V2 → уравнение 2
Значението на уравнение 1 е, че при постоянна температура (T), ако налягането (P) на газа се промени, обемът (V) на газа също се променя, така че произведението от налягане и обем е винаги постоянно. Ако налягането на газа се увеличи, обемът на газа намалява или обратното, ако налягането на газа намалее, обемът на газа се увеличава, така че произведението от налягане и обем е винаги постоянно.
Графика, показваща връзката между обем и налягане, изглежда като тази по-долу. Въз основа на своите експерименти Робърт Бойл открива, че обемът на газа се променя неравномерно, което кара линията на графиката да изглежда извита. Налягането, изобразено на графиката, е абсолютно налягане, а не манометър.
Законът на Чарлз
Сто години след като Робърт Бойл открива връзката между обема и налягането, френският учен Жак Шарл (1746–1823) изследва връзката между температурата и обема на газа. Въз основа на своите експерименти той открива, че ако налягането на газа остане постоянно, тогава с повишаване на температурата на газа, обемът също се увеличава. Обратно, с намаляване на температурата на газа, обемът също намалява.
Промените в обема на газа, дължащи се на температурни промени, се случват редовно, така че линията на тази графика изглежда права. Ако линията на графиката беше начертана при по-ниски температури, тя би пресичала оста при приблизително -273°C. oC.
Въз основа на многобройни проведени експерименти е установено, че въпреки че величината на промяната в обема за всеки газ е различна, когато линията на V-T графиката е начертана при по-ниска температура, линията винаги пресича оста около -273°C. oC. Можем да кажем, че ако газът се охлади до -273 oC тогава обемът на газа = 0. Ако газът се охлади отново, докато температурата падне под -273 oC тогава обемът на газа ще бъде отрицателен, нещо, което е невъзможно.
И така, ‐273 oC е най-ниската температура, която може да се достигне. Тъй като линията пресича оста при около -273 oC след това, по взаимно съгласие, беше определено, че най-ниската температура, която може да бъде постигната, е -273,15 oВ. -273,15 oC се нарича абсолютна нулева температура и се използва като отправна точка за абсолютната скала, известна още като скалата на Келвин. Келвин е кръстен на лорд Келвин (1824–1907), британски физик. В тази скала температурата се изразява в Келвини (K), а не в градуси Келвин (oK). Разстоянието между градусите е същото като по скалата на Целзий. 0 K = -273,15 oC и 273,15 K = 0 oC.
Температурата в скалата на Целзий може да се преобразува в скалата на Келвин чрез добавяне на 273,15, температурата в скалата на Келвин може да се преобразува в скалата на Целзий чрез изваждане на 273,15. Математически:
Т (К) = Т (oВ) + 273,15
T (oC) = Т (К) - 273,15
Информация :
T = Температура
K = Келвин
C = Целзий
Ако температурата е изразена в скала на Келвин, тогава графиката по-горе ще изглежда като изображението по-долу.
Въз основа на тази графика може да се заключи, че при постоянно налягане обемът на газа винаги е правопропорционален на абсолютната температура. Ако абсолютната температура на газа се увеличи, обемът също се увеличава; обратно, ако абсолютната температура на газа намалее, обемът също намалява. Тази зависимост е известна като закон на Шарл. Математически тя се записва по следния начин:
Обем ∝ Температура → Постоянно налягане
V ∝ T → P константа
Законът на Чарлз може да се запише и така:
Значението на уравнение 1 е, че при постоянно налягане (P), ако абсолютната температура (T) на газа се промени, обемът (V) на газа също се променя, така че резултатът от сравнението между абсолютната температура и обема винаги е постоянен. Ако абсолютната температура на газа се увеличи, обемът на газа също се увеличи, или обратното, ако абсолютната температура на газа намалее, обемът на газа също намалява, така че резултатът от сравнението между температура и обем винаги е постоянен. Под абсолютна температура на газ се разбира температурата на газа, изразена по скалата на Келвин. Ако температурата все още е по скалата на Целзий, първо я преобразувайте в скалата на Келвин.
Законът на Гей-Люсак
Джоузеф Гей-Люсак (1778–1850) провежда експеримент и открива, че ако обемът на газа се поддържа постоянен, с увеличаване на налягането на газа, абсолютната температура на газа също се увеличава. Обратно, с намаляване на налягането на газа, абсолютната температура на газа също намалява. При постоянен обем, налягането на газа е право пропорционално на абсолютната температура на газа. Тази зависимост се нарича закон на Гей-Люсак. Математически:
Налягане ∝ Температура → Постоянен обем
P ∝ T → V константа
Законът на Гей-Люсак може да се запише и по следния начин:
Значението на уравнение 1 е, че при постоянен обем (V), ако налягането (P) на газа се промени, абсолютната температура (T) на газа също се променя, така че резултатът от сравнението между налягането и абсолютната температура е постоянен. С други думи, ако налягането на газа се увеличи, абсолютната температура на газа също се увеличи, или обратно, ако налягането на газа намалее, абсолютната температура на газа също се понижи, така че сравнението между налягането и температурата е винаги постоянно.
Под абсолютна температура на газ се разбира температурата на газа, изразена по скалата на Келвин. Ако температурата все още е по скалата на Целзий, първо я преобразувайте в скалата на Келвин.
Важно е да се отбележи, че законът на Бойл, законът на Шарл и законът на Гей-Люсак дават точни резултати, ако налягането и плътността на газа не са твърде високи. Освен това, тези три закона се отнасят само за газове, чиито температури не са близки до точката им на кипене.
Въз основа на този факт може да се заключи, че законът на Бойл, законът на Шарл и законът на Гей-Люсак не могат да бъдат приложени към всички газови условия. Тъй като те не могат да бъдат приложени към всички реални газови условия, се нуждаем от концепцията за идеален газ или перфектен газ. Този идеален газ не съществува в ежедневието. Идеалният газ е само идеален модел, подобен на концепциите за твърдо тяло и идеален флуид. Следователно, приемаме, че трите газови закона по-горе важат при всички идеални газови условия.
При решаване на задачи за газови закони, температурата трябва да се изрази по скалата на Келвин. Ако налягането на газа все още е измервателно налягане, първо го преобразувайте в абсолютно налягане. Абсолютно налягане = атмосферно налягане + барометрично наляганеr.
