Boyleov zakon, Charlesov zakon i G. Lussacov zakon

Boyleov zakon, Charlesov zakon i G. Lussacov zakon

Boyleov zakon

Robert Boyle (1627. – 1691.) provodio je eksperimente kako bi istražio kvantitativni odnos između tlaka plina i volumena. Ovaj eksperiment uključivao je stavljanje određene količine plina u zatvorenu posudu. S prilično dobrom aproksimacijom, otkrio je da ako se temperatura plina održava konstantnom, tada se s povećanjem tlaka plina volumen plina smanjuje. Suprotno tome, kako se tlak plina smanjuje, volumen plina se povećava. Tlak plina obrnuto je proporcionalan volumenu plina. Ovaj odnos poznat je kao Boyleov zakon . Matematički:

Boyleov zakon se također može zapisati kao:

PV = konstanta → jednadžba 1

P1V1 = _P2V2 → jednadžba _2​​_​

Značenje jednadžbe 1 je da se pri konstantnoj temperaturi (T), ako se mijenja tlak (P) plina, mijenja i volumen (V) plina tako da je umnožak tlaka i volumena uvijek konstantan. Ako se tlak plina povećava, volumen plina se smanjuje ili obrnuto, ako se tlak plina smanjuje, volumen plina se povećava, tako da je umnožak tlaka i volumena uvijek konstantan.

Grafikon koji prikazuje odnos između volumena i tlaka izgleda kao ovaj dolje. Na temelju svojih eksperimenata, Robert Boyle je otkrio da se volumen plina mijenja nepravilno, zbog čega linija na grafu izgleda zakrivljeno. Tlak prikazan na grafu je apsolutni tlak, a ne manometarski tlak.

Charlesov zakon

Sto godina nakon što je Robert Boyle otkrio odnos između volumena i tlaka, francuski znanstvenik Jacques Charles (1746. – 1823.) istraživao je odnos između temperature i volumena plina. Na temelju svojih eksperimenata otkrio je da ako tlak plina ostane konstantan, tada se s porastom temperature plina povećava i volumen. Suprotno tome, s padom temperature plina smanjuje se i volumen.

Promjene volumena plina zbog promjena temperature događaju se redovito, pa linija na ovom grafu izgleda ravna. Kad bi se linija na grafu nacrtala na nižim temperaturama, sijekla bi os na oko -273 ^° C.

Na temelju mnogih provedenih eksperimenata utvrđeno je da iako je veličina promjene volumena svakog plina različita, kada se linija na V-T grafu povuče na nižu temperaturu, linija uvijek siječe os na oko -273 ^° C. Možemo reći da ako se plin ohladi na -273 ^° C, volumen plina = 0. Ako se plin ponovno ohladi dok mu temperatura ne padne ispod -273 ^° C, volumen plina će imati negativnu vrijednost, što je nemoguće.

Dakle, ‐273 ^oC je najniža temperatura koja se može postići. Budući da linija siječe os na oko -273 ^oC, tada je, prema međusobnom dogovoru, utvrđeno da je najniža temperatura koja se može postići -273,15 ^oC. -273,15 ^oC se naziva apsolutna nula temperatura i koristi se kao referenca za apsolutnu skalu, poznatu i kao Kelvinova skala. Kelvin je dobio ime po lordu Kelvinu (1824. – 1907.), britanskom fizičaru. Na ovoj skali temperatura se izražava u Kelvinima (K), a ne u stupnjevima Kelvina (^oK). Udaljenost između stupnjeva ista je kao na Celzijusovoj ljestvici. 0 K = -273,15 ^oC i 273,15 K = 0 ^oC.

Temperatura u Celzijusovim stupnjevima može se pretvoriti u Kelvinovo stupnjeve dodavanjem 273,15, temperatura u Kelvinovo stupnjevima može se pretvoriti u Celzijusovo stupnjeve oduzimanjem 273,15. Matematički:

T(K) = T( ^° C) + 273,15

T ( ^° C) = T(K) - 273,15

Informacije:

T = Temperatura

K = Kelvin

C = Celzijus

Ako je temperatura izražena u Kelvinovoj skali, tada će gornji grafikon izgledati kao na slici ispod.

Na temelju ovog grafa može se zaključiti da je pri konstantnom tlaku volumen plina uvijek izravno proporcionalan apsolutnoj temperaturi. Ako se apsolutna temperatura plina povećava, volumen se također povećava; obrnuto, ako se apsolutna temperatura plina smanjuje, volumen se također smanjuje. Ovaj odnos poznat je kao Charlesov zakon. Matematički se piše na sljedeći način:

Volumen ∝ Temperatura → Konstantni tlak

V ∝ T → P konstanta

Charlesov zakon se može zapisati i ovako:

Značenje jednadžbe 1 je da se pri konstantnom tlaku (P), ako se mijenja apsolutna temperatura (T) plina, mijenja i volumen (V) plina tako da je rezultat usporedbe između apsolutne temperature i volumena uvijek konstantan. Ako se apsolutna temperatura plina povećava, povećava se i volumen plina, ili obrnuto, ako se apsolutna temperatura plina smanjuje, smanjuje se i volumen plina, tako da je rezultat usporedbe između temperature i volumena uvijek konstantan. Pod apsolutnom temperaturom plina podrazumijeva se temperatura plina izražena na Kelvinovoj ljestvici. Ako je temperatura još uvijek na Celzijusovoj ljestvici, prvo je pretvorite u Kelvinovo ljestvicu.

Gay-Lussacov zakon

Joseph Gay-Lussac (1778. – 1850.) proveo je eksperiment i otkrio da ako se volumen plina održava konstantnim, kako se tlak plina povećava, povećava se i apsolutna temperatura plina. Suprotno tome, kako se tlak plina smanjuje, smanjuje se i apsolutna temperatura plina. Pri konstantnom volumenu, tlak plina izravno je proporcionalan apsolutnoj temperaturi plina. Taj se odnos naziva Gay-Lussacov zakon. Matematički:

Tlak ∝ Temperatura → Konstantni volumen

P ∝ T → V konstanta

Gay-Lussacov zakon se može zapisati i ovako:

Značenje jednadžbe 1 je da se pri konstantnom volumenu (V), ako se mijenja tlak (P) plina, mijenja i apsolutna temperatura (T) plina tako da je rezultat usporedbe između tlaka i apsolutne temperature konstantan. Drugim riječima, ako se tlak plina povećava, povećava se i apsolutna temperatura plina, ili obrnuto, ako se tlak plina smanjuje, smanjuje se i apsolutna temperatura plina, tako da je usporedba između tlaka i temperature uvijek konstantna.

Pod apsolutnom temperaturom plina podrazumijeva se temperatura plina izražena na Kelvinovoj ljestvici. Ako je temperatura još uvijek na Celzijusovoj ljestvici, prvo je pretvorite u Kelvinovo ljestvicu.

Važno je napomenuti da Boyleov zakon, Charlesov zakon i Gay-Lussacov zakon daju točne rezultate ako tlak i gustoća plina nisu previsoki. Nadalje, ova tri zakona primjenjuju se samo na plinove čije temperature nisu blizu njihove točke vrelišta.

Na temelju ove činjenice može se zaključiti da se Boyleov zakon, Charlesov zakon i Gay-Lussacov zakon ne mogu primijeniti na sve uvjete plina. Budući da se ne mogu primijeniti na sve stvarne uvjete plina, potreban nam je koncept idealnog plina ili savršenog plina. Ovaj idealni plin ne postoji u svakodnevnom životu. Idealni plin je samo idealan model, sličan konceptima krutog tijela i idealnog fluida. Stoga pretpostavljamo da se tri gore navedena zakona o plinu primjenjuju u svim uvjetima idealnog plina.

Pri rješavanju problema s plinskim zakonima, temperatura se mora izraziti na Kelvinovoj skali. Ako je tlak plina još uvijek mjerni tlak, prvo ga pretvorite u apsolutni tlak. Apsolutni tlak = atmosferski tlak + manometarski tlak r.