बॉयल का नियम, चार्ल्स का नियम और जी. लुसाक का नियम

बॉयल का नियम, चार्ल्स का नियम और जी. लुसाक का नियम

बॉयल के नियम

रॉबर्ट बॉयल (1627-1691) ने गैस के दाब और आयतन के बीच मात्रात्मक संबंध की जांच करने के लिए प्रयोग किए। इस प्रयोग में एक बंद पात्र में एक निश्चित मात्रा में गैस रखी गई। उन्होंने लगभग सटीक रूप से पाया कि यदि गैस का तापमान स्थिर रखा जाए, तो गैस का दाब बढ़ने पर उसका आयतन घटता है। इसके विपरीत, गैस का दाब घटने पर उसका आयतन बढ़ता है। गैस का दाब गैस के आयतन के व्युत्क्रमानुपाती होता है। इस संबंध को बॉयल का नियम कहा जाता है । गणितीय रूप से:

बॉयल के नियम को इस प्रकार भी लिखा जा सकता है:

पीवी = स्थिरांक → समीकरण 1

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂ → समीकरण 2

समीकरण 1 का अर्थ यह है कि स्थिर तापमान (T) पर, यदि गैस का दाब (P) बदलता है, तो गैस का आयतन (V) भी बदलता है, जिससे दाब और आयतन का गुणनफल हमेशा स्थिर रहता है। गैस का दाब बढ़ने पर उसका आयतन घटता है, और इसके विपरीत, यदि गैस का दाब घटता है, तो उसका आयतन बढ़ता है, जिससे दाब और आयतन का गुणनफल हमेशा स्थिर रहता है।

आयतन और दाब के बीच संबंध दर्शाने वाला ग्राफ नीचे दिए गए चित्र जैसा दिखता है। रॉबर्ट बॉयल ने अपने प्रयोगों के आधार पर यह पाया कि गैस का आयतन अनियमित रूप से बदलता है, जिसके कारण ग्राफ पर रेखा वक्राकार दिखाई देती है। ग्राफ पर दर्शाया गया दाब निरपेक्ष दाब ​​है, माप दाब नहीं।

चार्ल्स का नियम

रॉबर्ट बॉयल द्वारा आयतन और दाब के बीच संबंध की खोज के सौ वर्ष बाद, फ्रांसीसी वैज्ञानिक जैक्स चार्ल्स (1746-1823) ने तापमान और गैस के आयतन के बीच संबंध का अध्ययन किया। अपने प्रयोगों के आधार पर उन्होंने पाया कि यदि गैस का दाब स्थिर रहता है, तो गैस का तापमान बढ़ने पर उसका आयतन भी बढ़ता है। इसके विपरीत, गैस का तापमान घटने पर उसका आयतन भी घटता है।

तापमान में परिवर्तन के कारण गैस के आयतन में परिवर्तन नियमित रूप से होता है, इसलिए इस ग्राफ पर रेखा सीधी दिखाई देती है। यदि ग्राफ पर रेखा को कम तापमान पर खींचा जाता, तो यह अक्ष को लगभग -273 ^{डिग्री} सेल्सियस पर काटती।

अनेक प्रयोगों के आधार पर यह पाया गया कि यद्यपि प्रत्येक गैस के आयतन में परिवर्तन की मात्रा भिन्न-भिन्न होती है, परन्तु जब आयतन-ताप ग्राफ पर रेखा को निम्न तापमान की ओर खींचा जाता है, तो रेखा लगभग -273 ^° C पर अक्ष को काटती है। हम कह सकते हैं कि यदि गैस को -273 ^° C तक ठंडा किया जाए, तो गैस का आयतन = 0। यदि गैस को पुनः ठंडा करके उसका तापमान -273 ^° C से नीचे लाया जाए, तो गैस का आयतन ऋणात्मक होगा, जो कि असंभव है।

तो ‐273 ^oC न्यूनतम तापमान है जिस तक पहुँचा जा सकता है। क्योंकि रेखा अक्ष को लगभग -273 पर काटती है। ^oइसके बाद आपसी सहमति से यह निर्धारित किया गया कि प्राप्त किया जा सकने वाला न्यूनतम तापमान -273,15 था। ^oसी. -273,15 ^oसेल्सियस को परम शून्य तापमान कहा जाता है और इसका उपयोग निरपेक्ष पैमाने के संदर्भ के रूप में किया जाता है, जिसे केल्विन पैमाना भी कहा जाता है। केल्विन का नाम ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन (1824-1907) के नाम पर रखा गया है। इस पैमाने पर, तापमान को केल्विन (के) में व्यक्त किया जाता है, न कि डिग्री केल्विन में।^oडिग्री के बीच की दूरी सेल्सियस पैमाने के समान ही है। 0 K = -273,15 ^oC और 273,15 K = 0 ^oC.

सेल्सियस स्केल में तापमान को केल्विन स्केल में बदलने के लिए 273,15 जोड़ना होता है, और केल्विन स्केल में तापमान को सेल्सियस स्केल में बदलने के लिए 273,15 घटाना होता है। गणितीय रूप से:

T (K) = T ( ^o C) + 273,15

T ( ^o C) = T (K) ‐ 273,15

टिप्पणी:

T = तापमान

K = केल्विन

सेल्सियस

यदि तापमान को केल्विन पैमाने में व्यक्त किया जाए तो ऊपर दिया गया ग्राफ नीचे दिए गए चित्र जैसा दिखेगा।

इस ग्राफ के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि स्थिर दाब पर, गैस का आयतन हमेशा परम तापमान के सीधे समानुपाती होता है। यदि किसी गैस का परम तापमान बढ़ता है, तो उसका आयतन भी बढ़ता है; इसके विपरीत, यदि किसी गैस का परम तापमान घटता है, तो उसका आयतन भी घटता है। इस संबंध को चार्ल्स का नियम कहा जाता है। गणितीय रूप से इसे इस प्रकार लिखा जाता है:

आयतन ∝ तापमान → स्थिर दाब

V ∝ T → P स्थिरांक

चार्ल्स के नियम को इस प्रकार भी लिखा जा सकता है:

समीकरण 1 का अर्थ यह है कि स्थिर दाब (P) पर, यदि गैस का निरपेक्ष तापमान (T) बदलता है, तो गैस का आयतन (V) भी बदलता है, जिससे निरपेक्ष तापमान और आयतन के बीच तुलना का परिणाम हमेशा स्थिर रहता है। यदि गैस का निरपेक्ष तापमान बढ़ता है, तो गैस का आयतन भी बढ़ता है, और इसके विपरीत, यदि गैस का निरपेक्ष तापमान घटता है, तो गैस का आयतन भी घटता है, जिससे तापमान और आयतन के बीच तुलना का परिणाम हमेशा स्थिर रहता है। गैस के निरपेक्ष तापमान से तात्पर्य केल्विन पैमाने पर व्यक्त किए गए तापमान से है। यदि तापमान सेल्सियस पैमाने पर है, तो पहले उसे केल्विन पैमाने पर परिवर्तित करें।

गे-लुसैक का नियम

जोसेफ गे-लुसैक (1778-1850) ने एक प्रयोग किया और पाया कि यदि किसी गैस का आयतन स्थिर रखा जाए, तो गैस के दाब में वृद्धि होने पर उसका निरपेक्ष तापमान भी बढ़ जाता है। इसके विपरीत, गैस के दाब में कमी होने पर उसका निरपेक्ष तापमान भी घट जाता है। स्थिर आयतन पर, गैस का दाब उसके निरपेक्ष तापमान के सीधे समानुपाती होता है। इस संबंध को गे-लुसैक का नियम कहते हैं। गणितीय रूप से:

दाब ∝ तापमान → स्थिर आयतन

P ∝ T → V स्थिरांक

गे-लुसैक के नियम को इस प्रकार भी लिखा जा सकता है:

समीकरण 1 का अर्थ यह है कि स्थिर आयतन (V) पर, यदि गैस का दाब (P) बदलता है, तो गैस का निरपेक्ष तापमान (T) भी बदलता है, जिससे दाब और निरपेक्ष तापमान के बीच तुलना का परिणाम स्थिर रहता है। दूसरे शब्दों में, यदि गैस का दाब बढ़ता है, तो गैस का निरपेक्ष तापमान भी बढ़ता है, और इसके विपरीत, यदि गैस का दाब घटता है, तो गैस का निरपेक्ष तापमान भी घटता है, जिससे दाब और तापमान के बीच तुलना का परिणाम हमेशा स्थिर रहता है।

किसी गैस के निरपेक्ष तापमान से तात्पर्य उस गैस के तापमान से है जिसे केल्विन पैमाने पर व्यक्त किया जाता है। यदि तापमान सेल्सियस पैमाने पर है, तो पहले उसे केल्विन पैमाने पर परिवर्तित करें।

यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि बॉयल का नियम, चार्ल्स का नियम और गे-लुसैक का नियम सटीक परिणाम देते हैं यदि गैस का दाब और घनत्व बहुत अधिक न हो। इसके अलावा, ये तीनों नियम केवल उन गैसों पर लागू होते हैं जिनका तापमान उनके क्वथनांक के निकट न हो।

इस तथ्य के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि बॉयल का नियम, चार्ल्स का नियम और गे-लुसैक का नियम सभी गैसीय स्थितियों पर लागू नहीं होते। क्योंकि ये सभी वास्तविक गैसीय स्थितियों पर लागू नहीं होते, इसलिए हमें आदर्श गैस या परिपूर्ण गैस की अवधारणा की आवश्यकता होती है। यह आदर्श गैस रोजमर्रा के जीवन में मौजूद नहीं होती। आदर्श गैस केवल एक आदर्श प्रतिरूप है, ठीक उसी प्रकार जैसे कठोर पिंड और आदर्श द्रव की अवधारणा होती है। इसलिए, हम मानते हैं कि उपरोक्त तीनों गैसीय नियम सभी आदर्श गैसीय स्थितियों पर लागू होते हैं।

गैस नियम संबंधी समस्याओं को हल करते समय, तापमान को केल्विन पैमाने पर व्यक्त करना आवश्यक है। यदि गैस का दाब अभी भी मापन दाब है, तो पहले उसे निरपेक्ष दाब ​​में परिवर्तित करें। निरपेक्ष दाब ​​= वायुमंडलीय दाब + गेज दाब r।