लेख: बॉयल का नियम, चार्ल्स का नियम, गे-लुसैक 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। यह प्रयोग एक बंद पात्र में एक निश्चित मात्रा में गैस डालकर किया जाता है। काफी हद तक सटीक रूप से उन्होंने पाया कि यदि गैस का तापमान स्थिर रखा जाए, तो गैस का दाब बढ़ने पर गैस का आयतन घट जाता है। इसी प्रकार, गैस का दाब घटने पर गैस का आयतन बढ़ जाता 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 बदल जाता है।
ताकि दाब और आयतन के गुणनफल का परिणाम हमेशा स्थिर रहे। यदि गैस का दाब बढ़ता है, तो गैस का आयतन घटता है, और इसके विपरीत, यदि गैस का दाब घटता है, तो गैस का आयतन बढ़ता है। इस प्रकार, 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। प्रयोग के परिणामों के आधार पर, रॉबर्ट बॉयल ने पाया कि गैस का आयतन अनियमित रूप से बदलता है, जिसके कारण ग्राफ में रेखाएँ वक्राकार दिखाई देती हैं। ग्राफ पर दर्शाया गया दाब निरपेक्ष दाब है।
चार्ल्स का नियम
रॉबर्ट बॉयल द्वारा आयतन और दाब के बीच संबंध की खोज के सौ वर्ष बाद, जैक्स चार्ल्स (1746-1823) नामक एक फ्रांसीसी वैज्ञानिक ने तापमान और गैस के आयतन के बीच संबंध का अध्ययन किया। प्रयोग के परिणामों के आधार पर, उन्होंने पाया कि जब गैस का दाब हमेशा स्थिर रहता है, तो गैस का तापमान बढ़ने पर उसका आयतन भी बढ़ता है। इसके विपरीत, जब गैस का तापमान घटता है, तो उसका आयतन भी घटता है।
तापमान में परिवर्तन के कारण गैस के आयतन में परिवर्तन नियमित रूप से होता है, जिससे इस ग्राफ पर रेखाएँ सीधी दिखाई देती हैं। यदि तापमान कम होने तक रेखाएँ खींची जाएँ, तो रेखा अक्ष को लगभग -273 डिग्री सेल्सियस पर काटेगी।
अनेक प्रयोगों के आधार पर यह पाया गया कि यद्यपि प्रत्येक गैस के आयतन में परिवर्तन की मात्रा भिन्न-भिन्न होती है,
जब VT चार्ट पर रेखाएँ कम तापमान की ओर खींची जाती हैं, तो रेखा हमेशा अक्ष को लगभग -273 ° C पर काटती है। हम कह सकते हैं कि यदि गैस को -273 ° C तक ठंडा किया जाता है, तो गैस का आयतन = 0 होता है। यदि गैस को फिर से तब तक ठंडा किया जाता है जब तक कि तापमान -273 ° C से नीचे न चला जाए, तो गैस का आयतन ऋणात्मक होगा, जो कि असंभव है।
तो -273 oC न्यूनतम तापमान है जिसे प्राप्त किया जा सकता है। क्योंकि रेखा अक्ष को लगभग -273 पर काटती है। oसमझौते के अनुसार, यह निर्धारित किया गया है कि प्राप्त किया जा सकने वाला न्यूनतम तापमान -273.15 डिग्री सेल्सियस है। oसी. -273.15 oसेल्सियस को परम शून्य तापमान कहा जाता है और इसे एक निरपेक्ष मापदंड संदर्भ के रूप में उपयोग किया जाता है, जिसे केल्विन मापदंड भी कहा जाता है। केल्विन, ब्रिटिश भौतिक विज्ञानी लॉर्ड केल्विन (1824-1907) का नाम है। इस मापदंड पर, तापमान को केल्विन (K) में व्यक्त किया जाता है, न कि केल्विन (oडिग्री (K)। डिग्री के बीच की दूरी सेंटीग्रेड स्केल के समान है। 0 K = -273.15 oC और 273.15 K = 0 oC.
सेल्सियस पैमाने पर तापमान को केल्विन पैमाने पर 273.15 जोड़कर परिवर्तित किया जा सकता है, और केल्विन पैमाने पर तापमान को सेल्सियस पैमाने पर 273.15 घटाकर परिवर्तित किया जा सकता है। गणितीय रूप से:
T (K) = T ( o C) + 273.15
T ( o C) = T (K) – 273.15
टी = तापमान
K = केल्विन
सेल्सियस
यदि तापमान को केल्विन पैमाने पर व्यक्त किया जाए, तो ऊपर दिया गया चार्ट 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 गैस के परम तापमान के सीधे समानुपाती होता है। यदि गैस का परम तापमान बढ़ता है, तो गैस का आयतन भी बढ़ता है, इसके विपरीत, यदि गैस का परम तापमान घटता है, तो गैस का आयतन भी घटता है। इस संबंध को चार्ल्स का नियम कहा जाता है। गणितीय रूप से:
आयतन α तापमान → स्थिर दाब
V α T → P स्थिर
समीकरण 1 का अर्थ यह है कि स्थिर दाब (P) पर यदि निरपेक्ष तापमान (T) में परिवर्तन होता है, तो गैस का आयतन (V) भी परिवर्तित हो जाता है, जिससे निरपेक्ष तापमान और आयतन का अनुपात 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 आयतन भी बढ़ता है।
गैस का आयतन भी घटता है, इसलिए तापमान और आयतन का अनुपात हमेशा स्थिर रहता है। गैस का निरपेक्ष तापमान वह तापमान होता है जो केल्विन पैमाने पर दर्शाया जाता है। यदि तापमान सेल्सियस पैमाने पर है, तो पहले उसे केल्विन पैमाने पर परिवर्तित करें।
गे-लुसाक का नियम
जोसेफ गे-लुसैक (1778-1850) ने प्रयोग करके पाया कि यदि गैस का आयतन स्थिर रखा जाए, तो गैस का दाब बढ़ने पर उसका निरपेक्ष तापमान भी बढ़ता है। इसी प्रकार, गैस का दाब घटने पर उसका निरपेक्ष तापमान भी घटता है। स्थिर आयतन पर, गैस का दाब उसके निरपेक्ष तापमान के सीधे समानुपाती होता है। इस संबंध को गे-लुसैक नियम कहते हैं। गणितीय रूप से:
दाब α तापमान → स्थिर आयतन
P α T → V स्थिर 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 इस प्रकार बदलता है कि दाब और निरपेक्ष तापमान का अनुपात 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 निरपेक्ष तापमान भी बढ़ता है।
गैस का निरपेक्ष तापमान भी घटता है, जिससे दाब और तापमान का अनुपात हमेशा स्थिर रहता है।
किसी गैस का निरपेक्ष तापमान वह तापमान होता है जो केल्विन पैमाने पर दर्शाया जाता है। यदि तापमान सेल्सियस पैमाने पर है, तो पहले उसे केल्विन पैमाने में बदलें।
कृपया ध्यान दें कि बॉयल का नियम, चार्ल्स का नियम और गे-लुसैक का नियम सटीक परिणाम देते हैं जब गैस का दबाव और घनत्व बहुत अधिक न हो। इसके अलावा, ये तीनों नियम केवल ऐसी गैसों पर लागू होते हैं जिनका तापमान 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। चूंकि ये सभी वास्तविक गैसीय स्थितियों पर लागू नहीं होते, इसलिए हमें आदर्श गैस की अवधारणा की आवश्यकता होती है। यह आदर्श गैस रोजमर्रा की जिंदगी में मौजूद नहीं होती। आदर्श गैस केवल एक आदर्श मॉडल है, ठीक उसी प्रकार जैसे आदर्श कठोर और तरल 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 दर्शाना आवश्यक है। यदि गैस का दाब अभी भी मापन दाब के रूप में है, तो उसे पहले निरपेक्ष दाब में परिवर्तित करें। निरपेक्ष दाब = वायुमंडलीय दाब + मापन दाब
