Boyleov zakon, Charlesov zakon i G. Lussacov zakon

Boyleov zakon, Charlesov zakon i G. Lussacov zakon

Boyleov zakon

Robert Bojl (1627–1691) provodio je eksperimente kako bi istražio kvantitativni odnos između pritiska gasa i zapremine. Ovaj eksperiment uključivao je stavljanje određene količine gasa u zatvorenu posudu. Sa prilično dobrom aproksimacijom, otkrio je da ako se temperatura gasa održava konstantnom, onda se, kako se pritisak gasa povećava, zapremina gasa smanjuje. Slično tome, kada se pritisak gasa smanjuje, zapremina gasa se povećava. Pritisak gasa je obrnuto proporcionalan zapremini gasa. Ovaj odnos je poznat kao Boyleov zakonMatematički:

Boyleov zakon se može napisati i kao:

PV = konstanta → jednačina 1

P₁ V₁ = P₂ V₂ → jednačina 2

Značenje jednačine 1 je da se pri konstantnoj temperaturi (T), ako se mijenja pritisak (P) gasa, mijenja i zapremina (V) gasa, tako da je proizvod pritiska i zapremine uvijek konstantan. Ako se pritisak gasa povećava, zapremina gasa se smanjuje ili obrnuto, ako se pritisak gasa smanjuje, zapremina gasa se povećava, tako da je proizvod pritiska i zapremine uvijek konstantan.

Grafik koji prikazuje odnos između volumena i pritiska izgleda kao ovaj ispod. Na osnovu svojih eksperimenata, Robert Boyle je otkrio da se volumen gasa mijenja nepravilno, što uzrokuje da linija na grafikonu izgleda zakrivljeno. Pritisak prikazan na grafikonu je apsolutni pritisak, a ne manometarski pritisak.

Charlesov zakon

Sto godina nakon što je Robert Boyle otkrio vezu između zapremine i pritiska, francuski naučnik Jacques Charles (1746–1823) istraživao je vezu između temperature i zapremine gasa. Na osnovu svojih eksperimenata, otkrio je da ako pritisak gasa ostane konstantan, onda se, kako temperatura gasa raste, povećava i zapremina. Obrnuto, kako se temperatura gasa smanjuje, smanjuje se i zapremina.

Promjene u volumenu plina zbog promjena temperature događaju se redovno, tako da linija na ovom grafiku izgleda pravo. Ako bi linija na grafiku bila nacrtana na nižim temperaturama, sijekla bi osu na približno -273°C. ^oC.

Na osnovu mnogih provedenih eksperimenata, utvrđeno je da, iako je veličina promjene volumena za svaki plin različita, kada se linija na V-T grafiku povuče na nižoj temperaturi, linija uvijek siječe osu na oko -273°C. ^oC. Možemo reći da ako se plin ohladi na -273 ^oC tada je zapremina gasa = 0. Ako se gas ponovo ohladi dok temperatura ne padne ispod -273 ^oC tada će zapremina gasa biti negativna, što je nemoguće.

Dakle, ‐273 ^oC je najniža temperatura koja se može dostići. Budući da linija siječe osu na oko -273 ^oC, tada je, prema obostranom dogovoru, utvrđeno da je najniža temperatura koja se može postići -273,15 ^oC. -273,15 ^oC se naziva apsolutna nula temperatura i koristi se kao referenca za apsolutnu skalu, poznatu i kao Kelvinova skala. Kelvin je dobio ime po Lordu Kelvinu (1824–1907), britanskom fizičaru. Na ovoj skali, temperatura se izražava u Kelvinima (K), a ne u stepenima Kelvina (^oK). Razmak između stepeni je isti kao na Celzijusovoj skali. 0 K = -273,15 ^oC i 273,15 K = 0 ^oC.

Temperatura u Celzijusima može se pretvoriti u Kelvinovu skalu dodavanjem 273,15, temperatura u Kelvinovoj skali može se pretvoriti u Celzijusovu skalu oduzimanjem 273,15. Matematički:

T(K) = T(^oC) + 273,15

T (^oC) = T (K) - 273,15

Informacije:

T = Temperatura

K = Kelvin

C = Celzijus

Ako je temperatura izražena u Kelvinovoj skali, onda će gornji grafikon izgledati kao na slici ispod.

Na osnovu ovog grafikona može se zaključiti da je pri konstantnom pritisku zapremina gasa uvijek direktno proporcionalna apsolutnoj temperaturi. Ako se apsolutna temperatura gasa povećava, zapremina se također povećava; obrnuto, ako se apsolutna temperatura gasa smanjuje, zapremina se također smanjuje. Ovaj odnos je poznat kao Charlesov zakon. Matematički se piše na sljedeći način:

Zapremina ∝ Temperatura → Konstantni pritisak

V ∝ T → P konstanta

Charlesov zakon se može napisati i ovako:

Značenje jednačine 1 je da pri konstantnom pritisku (P), ako se promijeni apsolutna temperatura (T) gasa, mijenja se i zapremina (V) gasa, tako da je rezultat poređenja između apsolutne temperature i zapremine uvijek konstantan. Ako se apsolutna temperatura gasa poveća, zapremina gasa se također poveća, ili obrnuto, ako se apsolutna temperatura gasa smanji, zapremina gasa se također smanji, tako da je rezultat poređenja između temperature i zapremine uvijek konstantan. Pod apsolutnom temperaturom gasa podrazumijeva se temperatura gasa izražena na Kelvinovoj skali. Ako je temperatura i dalje na Celzijusovoj skali, prvo je pretvorite u Kelvinovo skalu.

Gay-Lussacov zakon

Joseph Gay-Lussac (1778–1850) je proveo eksperiment i otkrio da ako se volumen plina održava konstantnim, kako se pritisak plina povećava, apsolutna temperatura plina se također povećava. Suprotno tome, kako se pritisak plina smanjuje, apsolutna temperatura plina se također smanjuje. Pri konstantnom volumenu, pritisak plina je direktno proporcionalan apsolutnoj temperaturi plina. Ovaj odnos se naziva Gay-Lussacov zakon. Matematički:

Pritisak ∝ Temperatura → Konstantna zapremina

P ∝ T → V konstanta

Gay-Lussacov zakon se može napisati i ovako:

Značenje jednačine 1 je da pri konstantnoj zapremini (V), ako se promijeni pritisak (P) gasa, mijenja se i apsolutna temperatura (T) gasa, tako da je rezultat poređenja između pritiska i apsolutne temperature konstantan. Drugim riječima, ako se pritisak gasa poveća, povećava se i apsolutna temperatura gasa, ili obrnuto, ako se pritisak gasa smanji, smanjuje se i apsolutna temperatura gasa, tako da je poređenje između pritiska i temperature uvijek konstantno.

Pod apsolutnom temperaturom gasa podrazumijeva se temperatura gasa izražena na Kelvinovoj skali. Ako je temperatura i dalje na Celzijusovoj skali, prvo je pretvorite u Kelvinovu skalu.

Važno je napomenuti da Boyleov zakon, Charlesov zakon i Gay-Lussacov zakon daju tačne rezultate ako pritisak i gustina gasa nisu previsoki. Nadalje, ova tri zakona se primjenjuju samo na gasove čije temperature nisu blizu njihove tačke ključanja.

Na osnovu ove činjenice, može se zaključiti da se Boyleov zakon, Charlesov zakon i Gay-Lussacov zakon ne mogu primijeniti na sve gasne uslove. Budući da se ne mogu primijeniti na sve stvarne gasne uslove, potreban nam je koncept idealnog gasa ili savršenog gasa. Ovaj idealni gas ne postoji u svakodnevnom životu. Idealni gas je samo idealan model, sličan konceptima krutog tijela i idealnog fluida. Stoga pretpostavljamo da se tri gore navedena gasna zakona primjenjuju u svim idealnim gasnim uslovima.

Prilikom rješavanja problema iz zakona o gasu, temperatura se mora izraziti na Kelvinovoj skali. Ako je pritisak gasa i dalje mjerni pritisak, prvo ga pretvorite u apsolutni pritisak. Apsolutni pritisak = atmosferski pritisak + barometarski pritisakr.