Článek Boyleův zákon, Charlesův zákon, Gay-Lussacův zákon
Boyleův zákon
Robert Boyle (1627-1691) prováděl experimenty, aby zkoumal kvantitativní vztah mezi tlakem plynu a objemem. Tento experiment se provádí vložením určitého množství plynu do uzavřené nádoby. Dokud nenašel docela dobrý přístup, zjistil, že pokud je teplota plynu udržována konstantní, pak se při zvyšování tlaku plynu objem plynu snižuje. Podobně, když se tlak plynu snižuje, objem plynu se zvyšuje. Tlak plynu je nepřímo úměrný objemu plynu. Tento vztah je známý jako Boyleův zákon. Matematicky:
Boyleův zákon lze také zapsat:
PV = konstanta → rovnice 1
P1V1 = P2V2 → rovnice 2
Význam rovnice 1 je takový, že při konstantní teplotě (T) pokud se změní tlak (P) plynu, změní se také objem (V) plynu,
takže výsledky násobení tlaku a objemu jsou vždy konstantní. Pokud se tlak plynu zvyšuje, objem plynu se snižuje, a naopak, pokud se tlak plynu snižuje, objem plynu se zvyšuje, takže násobení tlaku a objemu je vždy konstantní.
Graf, který znázorňuje vztah mezi objemem a tlakem, vypadá jako na obrázku níže. Na základě výsledků experimentu Robert Boyle zjistil, že objem plynu se mění nepravidelně, takže čáry v grafu se jeví jako zakřivené. Tlak zobrazený v grafu je absolutní tlak.
Charlesův zákon
Sto let poté, co Robert Boyle objevil vztah mezi objemem a tlakem, zkoumal francouzský vědec Jacques Charles (1746-1823) vztah mezi teplotou a objemem plynu. Na základě výsledků experimentu zjistil, že když je tlak plynu stále konstantní, pak se s rostoucí teplotou plynu zvětšuje i objem plynu. Naopak, když teplota plynu klesá, objem plynu se také zmenšuje.
Změny objemu plynu v důsledku změn teploty probíhají pravidelně, takže čáry na tomto grafu se jeví jako rovné. Pokud jsou čáry na grafu znázorněny, dokud teplota neklesne, pak čára protne osu kolem -273 ° C.
Na základě mnoha provedených experimentů bylo zjištěno, že ačkoli se velikost změny objemu každého plynu liší,
Když jsou čáry na grafu VT nakresleny k nižší teplotě, čára vždy protíná osu kolem -273 ° C. Můžeme říci, že pokud se plyn ochladí na -273 ° C, pak objem plynu = 0. Pokud se plyn znovu ochladí, dokud teplota neklesne pod -273 ° C, pak bude objem plynu záporný, což je nemožné.
Takže -273 oC je nejnižší dosažitelná teplota. Protože přímka protíná osu v okolí -273 oC dle dohody je stanoveno, že nejnižší dosažitelná teplota je -273.15 oC. -273.15 o°C se nazývá absolutní nula a používá se jako referenční hodnota absolutní stupnice, známá také jako Kelvinova stupnice. Kelvin je jméno britského fyzika Lorda Kelvina (1824-1907). Na této stupnici se teplota vyjadřuje v Kelvinech (K), nikoli v jednotkách Kelvinů (oK) stupňů. Vzdálenost mezi stupni je stejná jako ve stupnici Celsia. 0 K = -273.15 oC a 273.15 K = 0 oC.
Teplotu na Celsiově stupnici lze převést na Kelvinovu stupnici přičtením 273.15, teplotu na Kelvinově stupnici lze převést na Celsiovu stupnici snížením 273.15. Matematicky:
T(K) = T( ° C) + 273.15
T ( ° C) = T(K) – 273.15
T = Teplota
K = Kelvin
C = Celsius
Pokud je teplota vyjádřena v Kelvinově stupnici, bude výše uvedený graf vypadat jako na obrázku níže.
Na základě tohoto grafu lze usoudit, že při pevném tlaku je objem plynu vždy přímo úměrný absolutní teplotě plynu. Pokud se absolutní teplota plynu zvyšuje, objem plynu se také zvyšuje, naopak, pokud se absolutní teplota plynu snižuje, objem plynu se také snižuje. Tento vztah je známý jako Charlesův zákon. Matematicky:
Objem α Teplota → Konstantní tlak
V α T → P konstanta
Význam rovnice 1 je, že při konstantním tlaku (P) pokud se mění absolutní teplota (T), pak se také mění objem (V) plynu, takže poměr mezi absolutní teplotou a objemem je vždy konstantní. Pokud se absolutní teplota plynu zvyšuje, zvyšuje se i objem plynu, nebo naopak, pokud se absolutní teplota plynu snižuje,
Objem plynu se také zmenšuje, takže poměr mezi teplotou a objemem je vždy konstantní. Absolutní teplota plynu je teplota plynu, která se udává na Kelvinově stupnici. Pokud je teplota stále v Celsiově stupnici, pak ji nejprve převeďte na Kelvinovu stupnici.
Gay-Lussacův zákon
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) experimentoval a zjistil, že pokud je objem plynu konstantní, pak se při zvyšování tlaku plynu zvyšuje absolutní teplota plynu. Podobně, když tlak plynu klesá, absolutní teplota plynu klesá. Při konstantním objemu je tlak plynu přímo úměrný absolutní teplotě plynu. Tento vztah se nazývá Gay-Lussacův zákon. Matematicky:
Tlak α Teplota → Konstantní objem
P α T → V je konstantní
Význam rovnice 1 spočívá v tom, že při konstantním objemu (V) se změní tlak (P) plynu a změní se i absolutní teplota (T) plynu, takže poměr mezi tlakem a absolutní teplotou je konstantní. Jinými slovy, pokud se tlak plynu zvyšuje, zvyšuje se i absolutní teplota plynu, nebo naopak, pokud se tlak plynu snižuje,
Absolutní teplota plynu také klesá, takže poměr mezi tlakem a teplotou je vždy konstantní.
Absolutní teplota plynu je teplota plynu, která se udává na Kelvinově stupnici. Pokud je teplota stále v Celsiově stupnici, převeďte ji nejprve na Kelvinovu stupnici.
Vezměte prosím na vědomí, že Boyleův zákon, Charlesův zákon a Gay-Lussacův zákon poskytují přesné výsledky, když tlak a hustota plynu nejsou příliš významné. Kromě toho tyto tři zákony platí pouze pro plyn, jehož teplota se neblíží bodu varu.
Na základě této skutečnosti lze usoudit, že Boyleův zákon, Charlesův zákon a Gay-Lussacův zákon nelze použít na všechny plynné podmínky. Protože se nemohou vztahovat na všechny reálné plynné podmínky, potřebujeme koncept ideálního plynu. Tento ideální plyn v každodenním životě neexistuje. Ideální plyn je pouze ideálním modelem, podobným konceptu ideálního tuhého a tekutého plynu. Předpokládáme tedy, že výše uvedené tři plynové zákony platí pro všechny ideální plynné podmínky.
Při řešení úloh o plynech musí být teplota uváděna v Kelvinově stupnici. Pokud je tlak plynu stále ve formě měřeného tlaku, převeďte jej nejprve na absolutní tlak. Absolutní tlak = atmosférický tlak + měřený tlak
