Llei de Boyle, llei de Charles i llei de G. Lussac
Llei de Boyle
Robert Boyle (1627–1691) va dur a terme experiments per investigar la relació quantitativa entre la pressió i el volum del gas. Aquest experiment consistia a col·locar una certa quantitat de gas en un recipient tancat. Amb una aproximació força bona, va descobrir que si la temperatura del gas es manté constant, a mesura que la pressió del gas augmenta, el volum del gas disminueix. De la mateixa manera, quan la pressió del gas disminueix, el volum del gas augmenta. La pressió del gas és inversament proporcional al volum del gas. Aquesta relació es coneix com a Llei de BoyleMatemàticament:
La llei de Boyle també es pot escriure com:
PV = constant → equació 1
P1 V1 = P2 V2 → equació 2
El significat de l'equació 1 és que a una temperatura constant (T), si la pressió (P) del gas canvia, el volum (V) del gas també canvia, de manera que el producte de la pressió i el volum sempre és constant. Si la pressió del gas augmenta, el volum del gas disminueix o viceversa, si la pressió del gas disminueix, el volum del gas augmenta, de manera que el producte de la pressió i el volum sempre és constant.
Un gràfic que mostra la relació entre el volum i la pressió s'assembla al que es mostra a continuació. Basant-se en els seus experiments, Robert Boyle va descobrir que el volum del gas canvia irregularment, cosa que fa que la línia del gràfic aparegui corba. La pressió representada al gràfic és la pressió absoluta, no la pressió manomètrica.
Llei de Carles
Cent anys després que Robert Boyle descobrís la relació entre el volum i la pressió, el científic francès Jacques Charles (1746–1823) va investigar la relació entre la temperatura i el volum del gas. Basant-se en els seus experiments, va descobrir que si la pressió del gas roman constant, a mesura que la temperatura del gas augmenta, el volum també augmenta. Per contra, a mesura que la temperatura del gas disminueix, el volum també disminueix.
Els canvis en el volum de gas a causa dels canvis de temperatura es produeixen regularment, per la qual cosa la línia d'aquest gràfic apareix recta. Si la línia del gràfic es dibuixés a temperatures més baixes, intersecaria l'eix aproximadament a -273 °C. oC.
A partir de molts experiments que s'han dut a terme, es va descobrir que, tot i que la magnitud del canvi de volum per a cada gas és diferent, quan la línia del gràfic V-T es dibuixa a una temperatura més baixa, la línia sempre talla l'eix al voltant de -273 oC. Podem dir que si el gas es refreda a -273 oC aleshores el volum de gas = 0. Si el gas es refreda de nou fins que la temperatura sigui inferior a -273 oC aleshores el volum del gas serà negatiu, cosa que és impossible.
Així ‐273 oC és la temperatura més baixa que es pot assolir. Com que la línia talla l'eix al voltant de -273 oC, aleshores, segons un acord mutu, es va determinar que la temperatura més baixa que es podia assolir era de -273,15 oC.-273,15 oC s'anomena temperatura zero absolut i s'utilitza com a referència per a l'escala absoluta, també coneguda com a escala Kelvin. Kelvin rep el nom de Lord Kelvin (1824–1907), un físic britànic. En aquesta escala, la temperatura s'expressa en Kelvin (K), no en graus Kelvin (oK). La distància entre graus és la mateixa que a l'escala Celsius. 0 K = ‐273,15 oC i 273,15 K = 0 oC.
La temperatura en escala Celsius es pot convertir a escala Kelvin sumant 273,15, la temperatura en escala Kelvin es pot convertir a escala Celsius restant 273,15. Matemàticament:
T(K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) ‐ 273,15
Informació:
T = Temperatura
K = Kelvin
C = Celsius
Si la temperatura s'expressa en l'escala Kelvin, el gràfic de dalt tindrà un aspecte semblant al de la imatge següent.
A partir d'aquest gràfic, es pot concloure que a pressió constant, el volum del gas sempre és directament proporcional a la temperatura absoluta. Si la temperatura absoluta d'un gas augmenta, el volum també augmenta; a l'inrevés, si la temperatura absoluta d'un gas disminueix, el volum també disminueix. Aquesta relació es coneix com a llei de Charles. Matemàticament, s'escriu de la següent manera:
Volum ∝ Temperatura → Pressió constant
V ∝ T → P constant
La llei de Charles també es pot escriure així:
El significat de l'equació 1 és que a pressió constant (P), si la temperatura absoluta (T) del gas canvia, el volum (V) del gas també canvia, de manera que el resultat de la comparació entre la temperatura absoluta i el volum sempre és constant. Si la temperatura absoluta del gas augmenta, el volum del gas també augmenta, o viceversa, si la temperatura absoluta del gas disminueix, el volum del gas també disminueix, de manera que la comparació entre la temperatura i el volum sempre és constant. El que s'entén per temperatura absoluta d'un gas és la temperatura del gas expressada a l'escala Kelvin. Si la temperatura encara es troba a l'escala Celsius, primer cal convertir-la a l'escala Kelvin.
Llei de Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) va dur a terme un experiment i va descobrir que si el volum d'un gas es manté constant, a mesura que augmenta la pressió del gas, la temperatura absoluta del gas també augmenta. Per contra, a mesura que la pressió del gas disminueix, la temperatura absoluta del gas també disminueix. A un volum constant, la pressió del gas és directament proporcional a la temperatura absoluta del gas. Aquesta relació s'anomena llei de Gay-Lussac. Matemàticament:
Pressió ∝ Temperatura → Volum constant
P ∝ T → V constant
La llei de Gay-Lussac també es pot escriure així:
El significat de l'equació 1 és que a volum constant (V), si la pressió (P) del gas canvia, la temperatura absoluta (T) del gas també canvia, de manera que el resultat de la comparació entre la pressió i la temperatura absoluta és constant. En altres paraules, si la pressió del gas augmenta, la temperatura absoluta del gas també augmenta, o a l'inrevés, si la pressió del gas disminueix, la temperatura absoluta del gas també disminueix, de manera que la comparació entre la pressió i la temperatura és sempre constant.
El que s'entén per temperatura absoluta d'un gas és la temperatura del gas expressada a l'escala Kelvin. Si la temperatura encara es troba a l'escala Celsius, primer cal convertir-la a l'escala Kelvin.
És important tenir en compte que la llei de Boyle, la llei de Charles i la llei de Gay-Lussac proporcionen resultats precisos si la pressió i la densitat del gas no són massa altes. A més, aquestes tres lleis només s'apliquen als gasos les temperatures dels quals no són properes al seu punt d'ebullició.
A partir d'aquest fet, es pot concloure que la llei de Boyle, la llei de Charles i la llei de Gay-Lussac no es poden aplicar a totes les condicions dels gasos. Com que no es poden aplicar a totes les condicions reals dels gasos, necessitem el concepte de gas ideal o gas perfecte. Aquest gas ideal no existeix a la vida quotidiana. Un gas ideal és només un model ideal, similar als conceptes de cos rígid i fluid ideal. Per tant, suposem que les tres lleis dels gasos anteriors s'apliquen en totes les condicions ideals dels gasos.
Per resoldre problemes de llei dels gasos, la temperatura s'ha d'expressar en l'escala Kelvin. Si la pressió del gas encara és una pressió de mesura, primer cal convertir-la a pressió absoluta. Pressió absoluta = pressió atmosfèrica + pressió baromètricar.
