Artikkeli Boylen laki, Charlesin laki, Gay-Lussacin laki
Boylen laki
Robert Boyle (1627-1691) teki kokeita tutkiakseen kaasun paineen ja tilavuuden välistä kvantitatiivista suhdetta. Tämä koe suoritetaan asettamalla tietty määrä kaasua suljettuun astiaan. Ennen melko hyvää lähestymistapaa hän havaitsi, että jos kaasun lämpötila pidettiin vakiona, niin kaasun paineen noustessa kaasun tilavuus pieneni. Samoin, kun kaasun paine laski, kaasun tilavuus kasvaa. Kaasun paine on kääntäen verrannollinen kaasun tilavuuteen. Tätä suhdetta kutsutaan Boylen laiksi. Matemaattisesti:
Boylen laki voidaan kirjoittaa myös seuraavasti:
PV = vakio → yhtälö 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → yhtälö 2
Yhtälön 1 merkitys on vakiolämpötilassa (T), että jos kaasun paine (P) muuttuu, niin myös kaasun tilavuus (V) muuttuu,
niin että paineen ja tilavuuden kertolasku on aina vakio. Jos kaasun paine kasvaa, kaasun tilavuus pienenee tai päinvastoin, jos kaasun paine laskee, kaasun tilavuus kasvaa, joten paineen ja tilavuuden kertolasku on aina vakio.
Tilavuuden ja paineen välistä suhdetta kuvaava kuvaaja näyttää alla olevalta kuvalta. Kokeen tulosten perusteella Robert Boyle havaitsi, että kaasun tilavuus muuttuu epäsäännöllisesti, joten kuvaajan viivat näyttävät kaarevilta. Kuvaajassa esitetty paine on absoluuttinen paine.
Kaarlen laki
Sata vuotta sen jälkeen, kun Robert Boyle löysi tilavuuden ja paineen välisen suhteen, ranskalainen tiedemies Jacques Charles (1746-1823) tutki lämpötilan ja kaasun tilavuuden välistä suhdetta. Kokeen tulosten perusteella hän havaitsi, että kun kaasun paine on aina vakio, niin kaasun lämpötilan noustessa myös kaasun tilavuus kasvaa. Käänteisesti, kun kaasun lämpötila laskee, myös kaasun tilavuus pienenee.
Lämpötilan muutosten aiheuttamat kaasun tilavuuden muutokset tapahtuvat säännöllisesti, joten tämän kaavion viivat näyttävät suorilta. Jos kaavion viivoja kuvataan lämpötilan laskiessa, viiva leikkaa akselin noin -273 ° C: ssa.
Useiden tehtyjen kokeiden perusteella on havaittu, että vaikka kunkin kaasun tilavuuden muutoksen suuruus vaihtelee,
Kun VT-kaavion viivat piirretään alempaan lämpötilaan, viiva leikkaa aina akselin noin -273 ° C:ssa. Voidaan sanoa, että jos kaasu jäähdytetään -273 ° C:seen, kaasun tilavuus on 0. Jos kaasua jäähdytetään uudelleen, kunnes lämpötila on alle -273 ° C, kaasun tilavuus on negatiivinen, mikä on mahdotonta.
Joten -273 oC on alin saavutettavissa oleva lämpötila. Koska viiva leikkaa akselin noin -273 asteen kohdalla oSopimuksen mukaan alin saavutettava lämpötila on -273.15 °C. oC. -273.15 oC:tä kutsutaan absoluuttiseksi nollapisteeksi ja sitä käytetään absoluuttisena asteikon referenssinä eli Kelvin-asteikkona. Kelvin on brittiläisen fyysikon lordi Kelvinin (1824-1907) nimi. Tällä asteikolla lämpötila ilmaistaan kelvineinä (K), ei kelvineinä (oK) astetta. Asteiden välinen etäisyys on sama kuin celsiusasteikolla. 0 K = -273.15 oC ja 273.15 K = 0 oC.
Celsius-asteikon lämpötila voidaan muuntaa Kelvin-asteikoksi lisäämällä siihen 273.15, ja Kelvin-asteikon lämpötila voidaan muuntaa Celsius-asteikoksi vähentämällä siitä 273.15. Matemaattisesti:
T (K) = T ( ° C) + 273.15
T( ° C) = T(K) – 273.15
T = Lämpötila
K = Kelvin
C = Celsius
Jos lämpötila ilmaistaan Kelvin-asteikolla, yllä oleva kaavio näyttää samalta kuin alla oleva kuva.
Tämän kuvaajan perusteella voidaan päätellä, että kiinteässä paineessa kaasun tilavuus on aina suoraan verrannollinen kaasun absoluuttiseen lämpötilaan. Jos kaasun absoluuttinen lämpötila nousee, myös kaasun tilavuus kasvaa, ja päinvastoin, jos kaasun absoluuttinen lämpötila laskee, myös kaasun tilavuus pienenee. Tätä suhdetta kutsutaan Charlesin laiksi. Matemaattisesti:
Tilavuus α Lämpötila → Vakiopaine
V α T → P vakio
Yhtälön 1 merkitys on vakiopaineessa (P), että jos absoluuttinen lämpötila (T) muuttuu, niin myös kaasun tilavuus (V) muuttuu siten, että absoluuttisen lämpötilan ja tilavuuden suhde on aina vakio. Jos kaasun absoluuttinen lämpötila nousee, myös kaasun tilavuus kasvaa tai päinvastoin, jos kaasun absoluuttinen lämpötila laskee,
Kaasun tilavuus myös pienenee, joten lämpötilan ja tilavuuden suhde on aina vakio. Kaasun absoluuttinen lämpötila on kaasun lämpötila, joka on ilmoitettu Kelvin-asteikolla. Jos lämpötila on edelleen Celsius-asteikolla, muuta se ensin Kelvin-asteikolle.
Gay-Lussacin laki
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) teki kokeita ja havaitsi, että jos kaasun tilavuus pidetään vakiona, kaasun paineen kasvaessa kaasun absoluuttinen lämpötila nousee. Samoin, kun kaasun paine laskee, kaasun absoluuttinen lämpötila laskee. Vakiotilavuudessa kaasun paine on suoraan verrannollinen kaasun absoluuttiseen lämpötilaan. Tätä suhdetta kutsutaan Gay-Lussacin laiksi. Matemaattisesti:
Paine α Lämpötila → Vakiotilavuus
P α T → V on vakio
Yhtälön 1 merkitys on, että vakiotilavuudessa (V) kaasun paineen (P) muuttuessa myös kaasun absoluuttinen lämpötila (T) muuttuu siten, että paineen ja absoluuttisen lämpötilan suhde on vakio. Toisin sanoen, jos kaasun paine kasvaa, myös kaasun absoluuttinen lämpötila kasvaa tai päinvastoin, jos kaasun paine laskee,
Myös kaasun absoluuttinen lämpötila laskee, joten paineen ja lämpötilan suhde on aina vakio.
Kaasun absoluuttinen lämpötila on kaasun lämpötila, joka on ilmoitettu Kelvin-asteikolla. Jos lämpötila on edelleen Celsius-asteikolla, muuta se ensin Kelvin-asteikolle.
Huomioithan, että Boylen laki, Charlesin laki ja Gay-Lussacin laki antavat tarkkoja tuloksia, kun kaasun paine ja tiheys eivät ole liian merkittäviä. Lisäksi nämä kolme lakia koskevat vain kaasua, jonka lämpötila ei ole lähellä kiehumispistettä.
Tämän perusteella voidaan päätellä, että Boylen lakia, Charlesin lakia ja Gay-Lussacin lakia ei voida soveltaa kaikkiin kaasuolosuhteisiin. Koska se ei voi viitata kaikkiin todellisiin kaasuolosuhteisiin, tarvitsemme ideaalikaasun käsitteen. Tätä ideaalikaasua ei esiinny jokapäiväisessä elämässä. Ideaalikaasu on vain ideaalimalli, samanlainen kuin ideaalinen jäykän ja nestemäisen kaasun käsite. Oletamme siis, että kolme yllä olevaa kaasulakia pätevät kaikissa ideaalikaasuolosuhteissa.
Kaasulakia ratkaistaessa lämpötila on ilmoitettava Kelvin-asteikolla. Jos kaasun paine on edelleen mittauspaineen muodossa, muuta se ensin absoluuttiseksi paineeksi. Absoluuttinen paine = ilmakehän paine + mittauspaine
