Boyle törvénye, Charles törvénye, Gay-Lussac törvénye
Boyle törvénye
Robert Boyle (1627-1691) kísérleteket végzett a gáznyomás és a térfogat közötti mennyiségi összefüggés vizsgálatára. A kísérletet úgy végezték, hogy egy bizonyos mennyiségű gázt zárt tartályba helyeztek. Amíg egy meglehetősen jó megközelítést nem talált, azt tapasztalta, hogy ha a gáz hőmérsékletét állandó értéken tartották, akkor a gáznyomás növekedésével a gáz térfogata csökkent. Hasonlóképpen, amikor a gáznyomás csökken, a gáz térfogata nőtt. A gáznyomás fordítottan arányos a gáz térfogatával. Ez a kapcsolat Boyle törvényeként ismert. Matematikailag:
Boyle törvénye a következőképpen is felírható:
PV = állandó → 1. egyenlet
P 1 V 1 = P 2 V 2 → 2. egyenlet
Az 1. egyenlet jelentése állandó hőmérsékleten (T), ha a gáz nyomása (P) változik, akkor a gáz térfogata (V) is változik,
így a nyomás és a térfogat szorzásának eredménye mindig állandó. Ha a gáznyomás növekszik, a gáz térfogata csökken, vagy fordítva, ha a gáznyomás csökken, a gáz térfogata növekszik, tehát a nyomás és a térfogat szorzása mindig állandó.
A térfogat és a nyomás közötti összefüggést ábrázoló grafikon az alábbi képen látható módon néz ki. A kísérlet eredményei alapján Robert Boyle megállapította, hogy a gáz térfogata szabálytalanul változik, így a grafikonon a vonalak görbültnek tűnnek. A grafikonon látható nyomás az abszolút nyomás.
Károly törvénye
Száz évvel azután, hogy Robert Boyle felfedezte a térfogat és a nyomás közötti összefüggést, egy Jacques Charles (1746-1823) nevű francia tudós megvizsgálta a hőmérséklet és a gáz térfogata közötti összefüggést. A kísérlet eredményei alapján azt találta, hogy amikor a gáznyomás mindig állandó, akkor a gáz hőmérsékletének növekedésével a gáz térfogata is növekszik. Fordítva, amikor a gáz hőmérséklete csökken, a gáz térfogata is csökken.
A hőmérsékletváltozás miatti gáztérfogat-változások szabályosak, így a grafikonon a vonalak egyenesnek tűnnek. Ha a grafikonon a vonalak a hőmérséklet csökkenéig jelennek meg, akkor a vonal -273 ° C körül metszi a tengelyt.
Számos elvégzett kísérlet alapján megállapították, hogy bár az egyes gázok térfogatváltozásának nagysága változó,
Amikor a VT-diagram vonalait alacsonyabb hőmérsékletre húzzuk, a vonal mindig -273 ° C körül metszi a tengelyt. Azt mondhatjuk, hogy ha a gázt -273 ° C-ra hűtjük, akkor a gáz térfogata = 0. Ha a gázt ismét hűtjük, amíg a hőmérséklet -273 ° C alá nem süllyed, akkor a gáz térfogata negatív lesz, ami lehetetlen.
Tehát -273 oA C a legalacsonyabb elérhető hőmérséklet. Mivel a vonal a -273 körül metszi a tengelyt oA megállapodás szerint a legalacsonyabb elérhető hőmérséklet -273.15 °C. oC. -273.15 oA C-t abszolút nulla hőmérsékletnek nevezik, és abszolút skálareferenciaként, más néven Kelvin-skálaként használják. A Kelvin Lord Kelvin (1824-1907), brit fizikus neve. Ezen a skálán a hőmérsékletet Kelvinben (K) fejezik ki, nem pedig Kelvinben (oK) fok. A fokok közötti távolság megegyezik a Celsius-skálán megadottal. 0 K = -273.15 oC és 273.15 K = 0 oC.
A Celsius-skála szerinti hőmérsékletet Kelvin-skálára a 273.15 hozzáadásával, a Kelvin-skála szerinti hőmérsékletet pedig a 273.15 kivonásával lehet Celsius-skálára átszámítani. Matematikailag:
T(K) = T( ° C) + 273.15
T( ° C) = T(K) – 273.15
T = Hőmérséklet
K = Kelvin
C = Celsius
Ha a hőmérsékletet Kelvin-skálán fejezzük ki, a fenti diagram az alábbi képhez hasonlóan fog kinézni.
Ezen grafikon alapján arra lehet következtetni, hogy adott nyomáson a gáz térfogata mindig egyenesen arányos a gáz abszolút hőmérsékletével. Ha a gáz abszolút hőmérséklete növekszik, a gáz térfogata is növekszik, ellenkezőleg, ha a gáz abszolút hőmérséklete csökken, a gáz térfogata is csökken. Ez az összefüggés Charles törvényeként ismert. Matematikailag:
Térfogat α Hőmérséklet → Állandó nyomás
V α T → P állandó
Az 1. egyenlet jelentése állandó nyomáson (P), ha az abszolút hőmérséklet (T) változik, akkor a gáz térfogata (V) is megváltozik, így az abszolút hőmérséklet és a térfogat aránya mindig állandó. Ha a gáz abszolút hőmérséklete növekszik, a gáz térfogata is növekszik, és fordítva, ha a gáz abszolút hőmérséklete csökken.
A gáz térfogata is csökken, így a hőmérséklet és a térfogat aránya mindig állandó. A gáz abszolút hőmérséklete a gáz hőmérséklete, amelyet Kelvin-skálán adnak meg. Ha a hőmérséklet továbbra is Celsius-skálán van, akkor először válts Kelvin-skálára.
Meleg-Lussac törvénye
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) kísérleteket végzett, és azt találta, hogy ha a gáz térfogata állandó, akkor a gáznyomás növekedésével a gáz abszolút hőmérséklete is növekszik. Hasonlóképpen, amikor a gáznyomás csökken, a gáz abszolút hőmérséklete is csökken. Állandó térfogatnál a gáznyomás egyenesen arányos a gáz abszolút hőmérsékletével. Ezt a kapcsolatot Gay-Lussac-törvénynek nevezik. Matematikailag:
Nyomás α Hőmérséklet → Állandó térfogat
P α T → V állandó
Az 1. egyenlet jelentése az, hogy állandó térfogat (V) mellett, ha a gáz nyomása (P) változik, a gáz abszolút hőmérséklete (T) is megváltozik, így a nyomás és az abszolút hőmérséklet aránya állandó. Más szóval, ha a gáznyomás növekszik, a gáz abszolút hőmérséklete is növekszik, vagy fordítva, ha a gáznyomás csökken,
a gáz abszolút hőmérséklete is csökken, így a nyomás és a hőmérséklet aránya mindig állandó.
A gáz abszolút hőmérséklete a gáz hőmérséklete, amelyet Kelvin-skálán adnak meg. Ha a hőmérséklet továbbra is Celsius-skálán van megadva, akkor először változtasd át Kelvin-skálára.
Felhívjuk a figyelmet arra, hogy Boyle, Charles és Gay-Lussac törvénye pontos eredményeket ad, ha a gáz nyomása és sűrűsége nem túl jelentős. Továbbá, mindhárom törvény csak olyan gázra vonatkozik, amelynek hőmérséklete nem közel van a forrásponthoz.
Ennek alapján arra a következtetésre juthatunk, hogy Boyle törvénye, Charles törvénye és Gay-Lussac törvénye nem alkalmazható minden gázállapotra. Mivel nem vonatkozhat minden valós gázállapotra, szükségünk van az ideális gáz fogalmára. Ez az ideális gáz a mindennapi életben nem létezik. Az ideális gáz csak egy ideális modell, hasonlóan az ideális merev és folyékony fogalomhoz. Tehát feltételezzük, hogy a fenti három gáztörvény minden ideális gázállapotra érvényes.
Gáztörvényi problémák megoldása során a hőmérsékletet Kelvin-skálán kell megadni. Ha a gáznyomás továbbra is a mérési nyomás formájában van megadva, először abszolút nyomásra kell átírni. Abszolút nyomás = légköri nyomás + mérési nyomás
