قانون بویل، قانون چارلز و قانون جی. لوساک
قانون بویل
رابرت بویل (۱۶۲۷–۱۶۹۱) آزمایشهایی را برای بررسی رابطه کمی بین فشار و حجم گاز انجام داد. این آزمایش شامل قرار دادن مقدار مشخصی از گاز در یک ظرف دربسته بود. او با تقریب نسبتاً خوبی کشف کرد که اگر دمای گاز ثابت نگه داشته شود، با افزایش فشار گاز، حجم گاز کاهش مییابد. برعکس، با کاهش فشار گاز، حجم گاز افزایش مییابد. فشار گاز با حجم گاز نسبت معکوس دارد. این رابطه به عنوان قانون بویل شناخته میشود . از نظر ریاضی:
قانون بویل را میتوان به صورت زیر نیز نوشت:
PV = ثابت → معادله ۱
P 1 V 1 = P 2 V 2 → معادله ۲
معنی معادله ۱ این است که در دمای ثابت (T)، اگر فشار (P) گاز تغییر کند، حجم (V) گاز نیز تغییر میکند به طوری که حاصلضرب فشار در حجم همیشه ثابت است. اگر فشار گاز افزایش یابد، حجم گاز کاهش مییابد یا برعکس، اگر فشار گاز کاهش یابد، حجم گاز افزایش مییابد، به طوری که حاصلضرب فشار در حجم همیشه ثابت است.
نموداری که رابطه بین حجم و فشار را نشان میدهد، مانند نمودار زیر است. رابرت بویل بر اساس آزمایشهای خود کشف کرد که حجم گاز به طور نامنظم تغییر میکند و باعث میشود خط روی نمودار منحنی به نظر برسد. فشار نشان داده شده روی نمودار، فشار مطلق است، نه فشار پیمانهای.
قانون چارلز
صد سال پس از کشف رابطه بین حجم و فشار توسط رابرت بویل، دانشمند فرانسوی ژاک چارلز (۱۷۴۶-۱۸۲۳) رابطه بین دما و حجم گاز را بررسی کرد. او بر اساس آزمایشهای خود کشف کرد که اگر فشار گاز ثابت بماند، با افزایش دمای گاز، حجم آن نیز افزایش مییابد. برعکس، با کاهش دمای گاز، حجم آن نیز کاهش مییابد.
تغییرات حجم گاز به دلیل تغییرات دما به طور منظم رخ میدهد، بنابراین خط روی این نمودار مستقیم به نظر میرسد. اگر خط روی نمودار در دماهای پایینتر رسم شود، محور را در حدود -۲۷۳ درجه سانتیگراد قطع میکند.
بر اساس آزمایشهای زیادی که انجام شده است، مشخص شد که اگرچه میزان تغییر حجم هر گاز متفاوت است، اما وقتی خط روی نمودار V-T به دمای پایینتری رسم میشود، خط همیشه محور را در حدود -273 درجه سانتیگراد قطع میکند . میتوانیم بگوییم که اگر گاز تا -273 درجه سانتیگراد سرد شود، حجم گاز = 0 میشود. اگر گاز دوباره سرد شود تا دمای آن به زیر -273 درجه سانتیگراد برسد، حجم گاز مقدار منفی خواهد داشت، چیزی که غیرممکن است.
بنابراین -۲۷۳ oC پایینترین دمایی است که میتوان به آن رسید. زیرا خط، محور را در حدود -۲۷۳ قطع میکند. oسپس طبق توافق دو جانبه، مشخص شد که کمترین دمایی که میتوان به آن دست یافت -۲۷۳.۱۵ است. oج. -۲۷۳.۱۵ oC دمای صفر مطلق نامیده میشود و به عنوان مرجعی برای مقیاس مطلق، که به مقیاس کلوین نیز معروف است، استفاده میشود. کلوین به نام لرد کلوین (1824-1907)، فیزیکدان بریتانیایی، نامگذاری شده است. در این مقیاس، دما بر حسب کلوین (K) بیان میشود، نه درجه کلوین (K).oK). فاصله بین درجهها همانند مقیاس سلسیوس است. 0 K = -273,15 oدمای C و 273,15 کلوین = 0 oC.
دما در مقیاس سلسیوس را میتوان با اضافه کردن عدد ۲۷۳.۱۵ به مقیاس کلوین تبدیل کرد، دما در مقیاس کلوین را میتوان با کم کردن عدد ۲۷۳.۱۵ به مقیاس سلسیوس تبدیل کرد. از نظر ریاضی:
T(K) = T( oC ) + 273,15
T ( o C) = T (K) - 273,15
اطلاعات:
T = دما
K = کلوین
درجه سانتیگراد = سانتیگراد
اگر دما بر حسب کلوین بیان شود، نمودار بالا مانند تصویر زیر خواهد بود.
بر اساس این نمودار، میتوان نتیجه گرفت که در فشار ثابت، حجم گاز همیشه با دمای مطلق نسبت مستقیم دارد. اگر دمای مطلق یک گاز افزایش یابد، حجم نیز افزایش مییابد؛ برعکس، اگر دمای مطلق یک گاز کاهش یابد، حجم نیز کاهش مییابد. این رابطه به عنوان قانون چارلز شناخته میشود. از نظر ریاضی، به صورت زیر نوشته میشود:
حجم ∝ دما → فشار ثابت
ثابت V ∝ T → P
قانون چارلز را میتوان به صورت زیر نیز نوشت:
معنی معادله ۱ این است که در فشار ثابت (P)، اگر دمای مطلق (T) گاز تغییر کند، حجم (V) گاز نیز تغییر میکند به طوری که نتیجه مقایسه بین دمای مطلق و حجم همیشه ثابت است. اگر دمای مطلق گاز افزایش یابد، حجم گاز نیز افزایش مییابد، یا برعکس، اگر دمای مطلق گاز کاهش یابد، حجم گاز نیز کاهش مییابد، به طوری که مقایسه بین دما و حجم همیشه ثابت است. منظور از دمای مطلق یک گاز، دمای گاز بیان شده در مقیاس کلوین است. اگر دما هنوز در مقیاس سلسیوس است، ابتدا آن را به مقیاس کلوین تبدیل کنید.
قانون گی-لوساک
جوزف گی-لوساک (۱۷۷۸-۱۸۵۰) آزمایشی انجام داد و کشف کرد که اگر حجم یک گاز ثابت نگه داشته شود، با افزایش فشار گاز، دمای مطلق گاز نیز افزایش مییابد. برعکس، با کاهش فشار گاز، دمای مطلق گاز نیز کاهش مییابد. در حجم ثابت، فشار گاز با دمای مطلق گاز نسبت مستقیم دارد. این رابطه قانون گی-لوساک نامیده میشود. از نظر ریاضی:
فشار ∝ دما → حجم ثابت
ثابت P ∝ T → V
قانون گیلوساک را میتوان به صورت زیر نیز نوشت:
معنی معادله ۱ این است که در حجم ثابت (V)، اگر فشار (P) گاز تغییر کند، دمای مطلق (T) گاز نیز تغییر میکند تا نتیجه مقایسه بین فشار و دمای مطلق ثابت باشد. به عبارت دیگر، اگر فشار گاز افزایش یابد، دمای مطلق گاز نیز افزایش مییابد، یا برعکس، اگر فشار گاز کاهش یابد، دمای مطلق گاز نیز کاهش مییابد، تا نتیجه مقایسه بین فشار و دما همیشه ثابت باشد.
منظور از دمای مطلق یک گاز، دمای گاز است که بر اساس مقیاس کلوین بیان میشود. اگر دما هنوز در مقیاس سلسیوس است، ابتدا آن را به مقیاس کلوین تبدیل کنید.
لازم به ذکر است که قانون بویل، قانون چارلز و قانون گی-لوساک در صورتی که فشار و چگالی گاز خیلی زیاد نباشد، نتایج دقیقی ارائه میدهند. علاوه بر این، این سه قانون فقط در مورد گازهایی اعمال میشود که دمای آنها نزدیک به نقطه جوش آنها نیست.
بر اساس این واقعیت، میتوان نتیجه گرفت که قانون بویل، قانون چارلز و قانون گی-لوساک را نمیتوان در مورد همه شرایط گاز اعمال کرد. از آنجا که نمیتوان آنها را در مورد همه شرایط گاز واقعی اعمال کرد، به مفهوم گاز ایدهآل یا گاز کامل نیاز داریم. این گاز ایدهآل در زندگی روزمره وجود ندارد. گاز ایدهآل فقط یک مدل ایدهآل است، شبیه به مفاهیم جسم صلب و سیال ایدهآل. بنابراین، فرض میکنیم سه قانون گاز فوق در همه شرایط گاز ایدهآل اعمال میشود.
در حل مسائل قانون گازها، دما باید در مقیاس کلوین بیان شود. اگر فشار گاز هنوز فشار اندازهگیری است، ابتدا آن را به فشار مطلق تبدیل کنید. فشار مطلق = فشار اتمسفر + فشار گیج r.
