Lei de Boyle, Lei de Charles e Lei de G. Lussac
Lei de Boyle
Robert Boyle (1627–1691) realizou experimentos para investigar a relación cuantitativa entre a presión e o volume do gas. Este experimento consistiu en colocar unha certa cantidade de gas nun recipiente pechado. Cunha aproximación bastante boa, descubriu que se a temperatura do gas se mantén constante, entón a medida que a presión do gas aumenta, o volume do gas diminúe. Do mesmo xeito, cando a presión do gas diminúe, o volume do gas aumenta. A presión do gas é inversamente proporcional ao volume do gas. Esta relación coñécese como Lei de BoyleMatematicamente:
A lei de Boyle tamén se pode escribir como:
PV = constante → ecuación 1
P1 V1 =P2 V2 → ecuación 2
O significado da ecuación 1 é que a unha temperatura constante (T), se a presión (P) do gas cambia, o volume (V) do gas tamén cambia, de xeito que o produto da presión e o volume é sempre constante. Se a presión do gas aumenta, o volume do gas diminúe ou viceversa, se a presión do gas diminúe, o volume do gas aumenta, de xeito que o produto da presión e o volume é sempre constante.
Un gráfico que mostra a relación entre o volume e a presión ten un aspecto semellante ao que se mostra a continuación. Baseándose nos seus experimentos, Robert Boyle descubriu que o volume do gas cambia de forma irregular, o que fai que a liña do gráfico pareza curva. A presión representada no gráfico é a presión absoluta, non a presión manométrica.
Lei de Charles
Cen anos despois de que Robert Boyle descubrise a relación entre o volume e a presión, o científico francés Jacques Charles (1746–1823) investigou a relación entre a temperatura e o volume do gas. Baseándose nos seus experimentos, descubriu que se a presión do gas permanece constante, entón a medida que a temperatura do gas aumenta, o volume tamén aumenta. Pola contra, a medida que a temperatura do gas diminúe, o volume tamén diminúe.
Os cambios no volume do gas debido aos cambios de temperatura ocorren regularmente, polo que a liña desta gráfica parece recta. Se a liña da gráfica se debuxase a temperaturas máis baixas, intersectaría o eixe aproximadamente a -273 °C. oC.
Baseándose en moitos experimentos que se levaron a cabo, descubriuse que, aínda que a magnitude do cambio de volume para cada gas é diferente, cando a liña do gráfico V-T se debuxa a unha temperatura máis baixa, a liña sempre corta o eixe arredor de -273 oC. Podemos dicir que se o gas se arrefría a -273 oC entón o volume do gas = 0. Se o gas se arrefría de novo ata que a temperatura sexa inferior a -273 oC entón o volume do gas será negativo, algo que é imposible.
Entón ‐273 oC é a temperatura máis baixa que se pode alcanzar. Dado que a liña corta o eixe arredor de -273 oC entón, segundo un acordo mutuo, determinouse que a temperatura máis baixa que se podía alcanzar era de -273,15 oC.‐273,15 oC denomínase temperatura cero absoluta e utilízase como referencia para a escala absoluta, tamén coñecida como escala Kelvin. Kelvin recibe o nome de Lord Kelvin (1824–1907), un físico británico. Nesta escala, a temperatura exprésase en Kelvin (K), non en graos Kelvin (oK). A distancia entre os graos é a mesma que na escala Celsius. 0 K = ‐273,15 oC e 273,15 K = 0 oC.
A temperatura na escala Celsius pódese converter á escala Kelvin sumando 273,15, a temperatura na escala Kelvin pódese converter á escala Celsius restando 273,15. Matematicamente:
T(K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) ‐ 273,15
Información:
T = Temperatura
K = Kelvin
C = Celsius
Se a temperatura se expresa na escala Kelvin, o gráfico de arriba terá un aspecto semellante ao da imaxe de embaixo.
Baseándose neste gráfico, pódese concluír que a presión constante, o volume do gas é sempre directamente proporcional á temperatura absoluta. Se a temperatura absoluta dun gas aumenta, o volume tamén aumenta; pola contra, se a temperatura absoluta dun gas diminúe, o volume tamén diminúe. Esta relación coñécese como lei de Charles. Matematicamente, escríbese do seguinte xeito:
Volume ∝ Temperatura → Presión constante
V ∝ T → P constante
A lei de Charles tamén se pode escribir así:
O significado da ecuación 1 é que a presión constante (P), se a temperatura absoluta (T) do gas cambia, o volume (V) do gas tamén cambia, de xeito que o resultado da comparación entre a temperatura absoluta e o volume é sempre constante. Se a temperatura absoluta do gas aumenta, o volume do gas tamén aumenta, ou viceversa, se a temperatura absoluta do gas diminúe, o volume do gas tamén diminúe, de xeito que a comparación entre a temperatura e o volume é sempre constante. O que se entende por temperatura absoluta dun gas é a temperatura do gas expresada na escala Kelvin. Se a temperatura aínda está na escala Celsius, primeiro hai que convertela á escala Kelvin.
Lei de Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) realizou un experimento e descubriu que se o volume dun gas se mantén constante, a medida que a presión do gas aumenta, a temperatura absoluta do gas tamén aumenta. Pola contra, a medida que a presión do gas diminúe, a temperatura absoluta do gas tamén diminúe. A un volume constante, a presión do gas é directamente proporcional á temperatura absoluta do gas. Esta relación chámase Lei de Gay-Lussac. Matematicamente:
Presión ∝ Temperatura → Volume constante
P ∝ T → V constante
A lei de Gay-Lussac tamén se pode escribir así:
O significado da ecuación 1 é que a un volume constante (V), se a presión (P) do gas cambia, a temperatura absoluta (T) do gas tamén cambia, de xeito que o resultado da comparación entre a presión e a temperatura absoluta é constante. Noutras palabras, se a presión do gas aumenta, a temperatura absoluta do gas tamén aumenta ou, pola contra, se a presión do gas diminúe, a temperatura absoluta do gas tamén diminúe, de xeito que a comparación entre a presión e a temperatura é sempre constante.
O que se entende por temperatura absoluta dun gas é a temperatura do gas expresada na escala Kelvin. Se a temperatura aínda está na escala Celsius, primeiro hai que convertela á escala Kelvin.
É importante ter en conta que a lei de Boyle, a lei de Charles e a lei de Gay-Lussac proporcionan resultados precisos se a presión e a densidade do gas non son demasiado altas. Ademais, estas tres leis só se aplican aos gases cuxas temperaturas non están preto do seu punto de ebulición.
Baseándose neste feito, pódese concluír que a lei de Boyle, a lei de Charles e a lei de Gay-Lussac non se poden aplicar a todas as condicións dos gases. Dado que non se poden aplicar a todas as condicións reais dos gases, necesitamos o concepto de gas ideal ou gas perfecto. Este gas ideal non existe na vida cotiá. Un gas ideal é só un modelo ideal, semellante aos conceptos de corpo ríxido e fluído ideal. Polo tanto, asumimos que as tres leis dos gases anteriores se aplican en todas as condicións ideais dos gases.
Ao resolver problemas da lei dos gases, a temperatura debe expresarse na escala Kelvin. Se a presión do gas aínda é unha presión de medición, primeiro convértea a presión absoluta. Presión absoluta = presión atmosférica + presión barométricar.
