Artikkel Boyle'i seadus, Charlesi seadus, Gay-Lussaci seadus
Boyle'i seadus
Robert Boyle (1627–1691) viis läbi katseid, et uurida gaasi rõhu ja mahu vahelist kvantitatiivset seost. See katse viiakse läbi teatud koguse gaasi sisestamisega suletud anumasse. Kuni üsna hea lähenemisviisini leidis ta, et kui gaasi temperatuuri hoiti konstantsena, siis gaasi rõhu tõustes gaasi maht vähenes. Samamoodi, kui gaasi rõhk langes, gaasi maht suurenes. Gaasi rõhk on pöördvõrdeline gaasi mahuga. Seda seost tuntakse Boyle'i seadusena. Matemaatiliselt:
Boyle'i seadust saab kirjutada ka järgmiselt:
PV = konstant → võrrand 1
P1 V1 = P2 V2 → võrrand 2
Võrrandi 1 tähendus on konstantsel temperatuuril (T), et kui gaasi rõhk (P) muutub, siis muutub ka gaasi ruumala (V),
nii et rõhu ja mahu korrutise tulemused on alati konstantsed. Kui gaasi rõhk suureneb, väheneb gaasi maht või vastupidi, kui gaasi rõhk väheneb, suureneb gaasi maht, seega on rõhu ja mahu korrutis alati konstantne.
Graafik, mis näitab ruumala ja rõhu vahelist seost, näeb välja selline, nagu alloleval pildil. Katse tulemuste põhjal leidis Robert Boyle, et gaasi ruumala muutub ebaregulaarselt, nii et graafikul olevad jooned on kõverad. Graafikul kujutatud rõhk on absoluutrõhk.
Charlesi seadus
Sada aastat pärast seda, kui Robert Boyle avastas ruumala ja rõhu vahelise seose, uuris prantsuse teadlane Jacques Charles (1746–1823) temperatuuri ja gaasi mahu vahelist seost. Katse tulemuste põhjal leidis ta, et kui gaasi rõhk on alati konstantne, siis gaasi temperatuuri tõustes suureneb ka gaasi maht. Vastupidiselt, kui gaasi temperatuur langeb, väheneb ka gaasi maht.
Gaasi mahu muutused temperatuuri muutuste tõttu toimuvad regulaarselt, nii et sellel graafikul olevad jooned on sirged. Kui jooned on graafikul kujutatud kuni temperatuuri langemiseni, siis lõikab joon telge ümber -273 kraadi. oC.
Paljude läbiviidud katsete põhjal leiti, et kuigi iga gaasi mahu muutuse suurusjärk on erinev,
Kui VT-diagrammil jooned joonistatakse madalama temperatuurini, lõikab joon telge alati umbes -273 kraadi juures. oC. Võime öelda, et kui gaasi jahutada temperatuurini -273 oC, siis gaasi ruumala = 0. Kui gaasi jahutatakse uuesti temperatuurini alla -273 oC, siis on gaasi maht negatiivne, mis on võimatu.
Seega -273 oC on madalaim saavutatav temperatuur. Kuna joon lõikab telge umbes -273 kraadi juures oC vastavalt kokkuleppele on kindlaks tehtud, et madalaim saavutatav temperatuur on -273.15 oC. -273.15 oCelsiuse kraadi nimetatakse absoluutseks nulltemperatuuriks ja seda kasutatakse absoluutse skaala viitena ehk Kelvini skaalana. Kelvin on Briti füüsiku lord Kelvini (1824–1907) nimi. Sellel skaalal väljendatakse temperatuuri kelvinites (K), mitte kelvinites (oK) kraadi. Kraadide vaheline kaugus on sama mis Celsiuse skaalal. 0 K = -273.15 o°C ja 273.15 K = 0 oC.
Celsiuse skaala temperatuuri saab Kelvini skaalale teisendada, liites sellele 273.15, Kelvini skaala temperatuuri saab Celsiuse skaalale teisendada, lahutades sellest 273.15. Matemaatiliselt:
T(K) = T(oC) + 273.15
T (oC) = T (K) – 273.15
T = temperatuur
K = Kelvin
C = Celsiuse järgi
Kui temperatuuri väljendatakse Kelvini skaalal, näeb ülaltoodud diagramm välja nagu alloleval pildil.
Selle graafiku põhjal võib järeldada, et fikseeritud rõhu juures on gaasi ruumala alati otseselt proportsionaalne gaasi absoluuttemperatuuriga. Kui gaasi absoluuttemperatuur tõuseb, suureneb ka gaasi ruumala, vastupidiselt, kui gaasi absoluuttemperatuur langeb, väheneb ka gaasi ruumala. Seda seost tuntakse Charlesi seadusena. Matemaatiliselt:
Ruumala α Temperatuur → Konstantne rõhk
V α T → P konstant
Võrrandi 1 tähendus on konstantsel rõhul (P), et kui absoluuttemperatuur (T) muutub, siis muutub ka gaasi ruumala (V) nii, et absoluuttemperatuuri ja ruumala suhe on alati konstantne. Kui gaasi absoluuttemperatuur tõuseb, suureneb ka gaasi ruumala või vastupidi, kui gaasi absoluuttemperatuur langeb.
Gaasi ruumala väheneb samuti, seega on temperatuuri ja ruumala suhe alati konstantne. Gaasi absoluuttemperatuur on gaasi temperatuur, mis on näidatud Kelvini skaalal. Kui temperatuur on endiselt Celsiuse skaalal, siis muutke see kõigepealt Kelvini skaalaks.
Gay-Lussaci seadus
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) tegi katseid ja leidis, et kui gaasi ruumala hoitakse konstantsena, siis gaasirõhu suurenedes tõuseb gaasi absoluuttemperatuur. Samamoodi langeb gaasirõhu langedes gaasi absoluuttemperatuur. Konstantse ruumala korral on gaasi rõhk otseselt proportsionaalne gaasi absoluuttemperatuuriga. Seda seost nimetatakse Gay-Lussaci seaduseks. Matemaatiliselt:
Rõhk α Temperatuur → Konstantne ruumala
P α T → V on konstantne
Võrrandi 1 tähendus on see, et konstantse ruumala (V) korral, kui gaasi rõhk (P) muutub, muutub ka gaasi absoluuttemperatuur (T) nii, et rõhu ja absoluuttemperatuuri suhe on konstantne. Teisisõnu, kui gaasi rõhk suureneb, suureneb ka gaasi absoluuttemperatuur või vastupidi, kui gaasi rõhk väheneb.
Gaasi absoluuttemperatuur langeb samuti, nii et rõhu ja temperatuuri suhe on alati konstantne.
Gaasi absoluuttemperatuur on gaasi temperatuur, mis on näidatud Kelvini skaalal. Kui temperatuur on endiselt Celsiuse skaalal, siis muutke see kõigepealt Kelvini skaalaks.
Palun pange tähele, et Boyle'i seadus, Charlesi seadus ja Gay-Lussaci seadus annavad täpseid tulemusi, kui gaasi rõhk ja tihedus ei ole liiga olulised. Lisaks kehtivad need kolm seadust ainult gaasile, mille temperatuur ei ole keemistemperatuuri lähedal.
Selle fakti põhjal võib järeldada, et Boyle'i, Charlesi ja Gay-Lussaci seadust ei saa rakendada kõigile gaasitingimustele. Kuna see ei saa viidata kõigile reaalsetele gaasitingimustele, vajame ideaalse gaasi kontseptsiooni. Sellist ideaalset gaasi igapäevaelus ei eksisteeri. Ideaalne gaas on lihtsalt ideaalne mudel, sarnane ideaalse jäiga ja voolava gaasi kontseptsioonile. Seega eeldame, et kolm ülaltoodud gaasiseadust kehtivad kõigis ideaalse gaasi tingimustes.
Gaasiseaduse ülesannete lahendamisel tuleb temperatuur esitada Kelvini skaalal. Kui gaasirõhk on endiselt mõõdetud rõhu kujul, tuleb see kõigepealt muuta absoluutrõhuks. Absoluutrõhk = atmosfäärirõhk + mõõdetud rõhk
