ბოილის კანონი, ჩარლზის კანონი და ჯ. ლუსაკის კანონი

ბოილის კანონი, ჩარლზის კანონი და ჯ. ლუსაკის კანონი

ბოილის კანონი

რობერტ ბოული (1627–1691) ატარებდა ექსპერიმენტებს გაზის წნევასა და მოცულობას შორის რაოდენობრივი ურთიერთობის გამოსაკვლევად. ეს ექსპერიმენტი მოიცავდა გარკვეული რაოდენობის გაზის დახურულ კონტეინერში მოთავსებას. საკმაოდ კარგი მიახლოებით, მან აღმოაჩინა, რომ თუ გაზის ტემპერატურა მუდმივია, მაშინ გაზის წნევის მატებასთან ერთად, გაზის მოცულობა მცირდება. ანალოგიურად, როდესაც გაზის წნევა მცირდება, გაზის მოცულობა იზრდება. გაზის წნევა უკუპროპორციულია გაზის მოცულობისა. ეს დამოკიდებულება ცნობილია, როგორც ბოილის კანონიმათემატიკურად:

ბოილის კანონი ასევე შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

PV = კონსტანტა → განტოლება 1

P₁ V₁ = P₂ V₂ → განტოლება 2

განტოლება 1-ის მნიშვნელობა ის არის, რომ მუდმივი ტემპერატურის (T) დროს, თუ აირის წნევა (P) იცვლება, აირის მოცულობაც (V) იცვლება ისე, რომ წნევისა და მოცულობის ნამრავლი ყოველთვის მუდმივია. თუ აირის წნევა იზრდება, აირის მოცულობა მცირდება ან პირიქით, თუ აირის წნევა მცირდება, აირის მოცულობა იზრდება, ამიტომ წნევისა და მოცულობის ნამრავლი ყოველთვის მუდმივია.

მოცულობასა და წნევას შორის ურთიერთკავშირის ამსახველი გრაფიკი ქვემოთ მოცემულის მსგავსია. ექსპერიმენტებზე დაყრდნობით, რობერტ ბოილმა აღმოაჩინა, რომ აირის მოცულობა არარეგულარულად იცვლება, რაც გრაფიკზე ხაზის მრუდ გამოჩენის მიზეზი ხდება. გრაფიკზე გამოსახული წნევა აბსოლუტური წნევაა და არა საზომი წნევა.

ჩარლზის კანონი

რობერტ ბოილის მიერ მოცულობასა და წნევას შორის კავშირის აღმოჩენიდან ასი წლის შემდეგ, ფრანგმა მეცნიერმა ჟაკ შარლმა (1746–1823) გამოიკვლია ტემპერატურასა და აირის მოცულობას შორის კავშირი. ექსპერიმენტების საფუძველზე მან აღმოაჩინა, რომ თუ აირის წნევა მუდმივი რჩება, მაშინ აირის ტემპერატურის მატებასთან ერთად, მოცულობაც იზრდება. პირიქით, აირის ტემპერატურის კლებასთან ერთად, მოცულობაც მცირდება.

ტემპერატურის ცვლილებებით გამოწვეული გაზის მოცულობის ცვლილებები რეგულარულად ხდება, ამიტომ ამ გრაფიკზე ხაზი სწორი ჩანს. თუ გრაფიკზე ხაზი უფრო დაბალ ტემპერატურაზე იქნებოდა დახაზული, ის ღერძს დაახლოებით -273°C-ზე გადაკვეთდა. ^oC.

ჩატარებული მრავალი ექსპერიმენტის საფუძველზე დადგინდა, რომ მიუხედავად იმისა, რომ თითოეული აირის მოცულობის ცვლილების სიდიდე განსხვავებულია, როდესაც V-T გრაფიკზე ხაზი უფრო დაბალ ტემპერატურაზეა დახატული, ხაზი ყოველთვის კვეთს ღერძს დაახლოებით -273°C-ზე. ^oგ. შეგვიძლია ვთქვათ, რომ თუ აირი გაცივდება -273-მდე ^oC მაშინ აირის მოცულობა = 0. თუ აირს კვლავ გაცივებთ მანამ, სანამ ტემპერატურა -273°C-ზე დაბლა არ დაეცემა. ^oC-ში, მაშინ აირის მოცულობა უარყოფითი იქნება, რაც შეუძლებელია.

ასე რომ, ‐273 ^oC არის ყველაზე დაბალი ტემპერატურა, რომლის მიღწევაც შესაძლებელია. რადგან ხაზი ღერძს კვეთს დაახლოებით -273°C-ზე. ^oC შემდეგ, ურთიერთშეთანხმების თანახმად, დადგინდა, რომ ყველაზე დაბალი ტემპერატურა, რომლის მიღწევაც შესაძლებელი იყო, იყო -273,15 ^oC. ‐273,15 ^oC ტემპერატურას აბსოლუტური ნული ეწოდება და გამოიყენება აბსოლუტური სკალის, ასევე კელვინის სკალის, საცნობარო ნიშნულად. კელვინს სახელი ბრიტანელი ფიზიკოსის, ლორდ კელვინის (1824–1907) პატივსაცემად დაერქვა. ამ სკალაზე ტემპერატურა კელვინებში (K) გამოისახება და არა კელვინის გრადუსებში (^oK). გრადუსებს შორის მანძილი იგივეა, რაც ცელსიუსის შკალაზე. 0 K = -273,15 ^oC და 273,15 K = 0 ^oC.

ცელსიუსის შკალაზე ტემპერატურის კელვინის შკალაზე გადაყვანა შესაძლებელია 273,15-ის დამატებით, კელვინის შკალაზე ტემპერატურის ცელსიუსის შკალაზე გადაყვანა კი 273,15-ის გამოკლებით. მათემატიკურად:

T (K) = T (^oგ) + 273,15

ტ (^oგ) = T (K) - 273,15

ინფორმაცია:

T = ტემპერატურა

K = კელვინი

C = ცელსიუსი

თუ ტემპერატურა კელვინის შკალით არის გამოხატული, მაშინ ზემოთ მოცემული გრაფიკი ქვემოთ მოცემული სურათის მსგავსი იქნება.

ამ გრაფიკის საფუძველზე შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ მუდმივი წნევის დროს აირის მოცულობა ყოველთვის პირდაპირპროპორციულია აბსოლუტური ტემპერატურისა. თუ აირის აბსოლუტური ტემპერატურა იზრდება, მოცულობაც იზრდება; პირიქით, თუ აირის აბსოლუტური ტემპერატურა მცირდება, მოცულობაც მცირდება. ეს დამოკიდებულება ცნობილია, როგორც ჩარლზის კანონი. მათემატიკურად, ის შემდეგნაირად იწერება:

მოცულობა ∝ ტემპერატურა → მუდმივი წნევა

V ∝ T → P მუდმივი

ჩარლზის კანონი ასევე შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

განტოლება 1-ის მნიშვნელობა ისაა, რომ მუდმივი წნევის (P) დროს, თუ აირის აბსოლუტური ტემპერატურა (T) იცვლება, აირის მოცულობაც (V) იცვლება ისე, რომ აბსოლუტურ ტემპერატურასა და მოცულობას შორის შედარების შედეგი ყოველთვის მუდმივია. თუ აირის აბსოლუტური ტემპერატურა იზრდება, აირის მოცულობაც იზრდება, ან პირიქით, თუ აირის აბსოლუტური ტემპერატურა მცირდება, აირის მოცულობაც მცირდება, ამიტომ ტემპერატურასა და მოცულობას შორის შედარება ყოველთვის მუდმივია. აირის აბსოლუტური ტემპერატურა ნიშნავს კელვინის შკალაზე გამოსახულ აირის ტემპერატურას. თუ ტემპერატურა კვლავ ცელსიუსის შკალაზეა, მაშინ ჯერ გადაიყვანეთ იგი კელვინის შკალაზე.

გეი-ლუსაკის კანონი

ჯოზეფ გეი-ლუსაკმა (1778–1850) ჩაატარა ექსპერიმენტი და აღმოაჩინა, რომ თუ აირის მოცულობა მუდმივია, წნევის მატებასთან ერთად იზრდება მისი აბსოლუტური ტემპერატურაც. პირიქით, წნევის კლებასთან ერთად მცირდება მისი აბსოლუტური ტემპერატურაც. მუდმივი მოცულობის შემთხვევაში, აირის წნევა პირდაპირპროპორციულია მისი აბსოლუტური ტემპერატურისა. ამ დამოკიდებულებას გეი-ლუსაკის კანონი ეწოდება. მათემატიკურად:

წნევა ∝ ტემპერატურა → მუდმივი მოცულობა

P ∝ T → V მუდმივი

გეი-ლუსაკის კანონი ასევე შეიძლება დაიწეროს შემდეგნაირად:

განტოლება 1-ის მნიშვნელობა ის არის, რომ მუდმივი მოცულობის (V) დროს, თუ აირის წნევა (P) იცვლება, აირის აბსოლუტური ტემპერატურაც (T) იცვლება ისე, რომ წნევასა და აბსოლუტურ ტემპერატურას შორის შედარების შედეგი მუდმივია. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ აირის წნევა იზრდება, აირის აბსოლუტური ტემპერატურაც იზრდება, ან პირიქით, თუ აირის წნევა მცირდება, აირის აბსოლუტური ტემპერატურაც მცირდება, ამიტომ წნევასა და ტემპერატურას შორის შედარება ყოველთვის მუდმივია.

გაზის აბსოლუტური ტემპერატურა იგულისხმება კელვინის შკალით გამოსახულ ტემპერატურაში. თუ ტემპერატურა კვლავ ცელსიუსის შკალით არის, მაშინ ჯერ ის კელვინის შკალით გადაიყვანეთ.

მნიშვნელოვანია აღინიშნოს, რომ ბოილის კანონი, ჩარლზის კანონი და გეი-ლუსაკის კანონი ზუსტ შედეგებს იძლევა, თუ აირის წნევა და სიმკვრივე ძალიან მაღალი არ არის. გარდა ამისა, ეს სამი კანონი მხოლოდ იმ აირებზე ვრცელდება, რომელთა ტემპერატურა დუღილის წერტილთან ახლოს არ არის.

ამ ფაქტის საფუძველზე, შეგვიძლია დავასკვნათ, რომ ბოილის კანონი, ჩარლზის კანონი და გეი-ლუსაკის კანონი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ყველა აირისებრ პირობაზე. რადგან ისინი არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას ყველა რეალურ აირისებრ პირობაზე, ჩვენ გვჭირდება იდეალური აირის, ანუ სრულყოფილი აირის კონცეფცია. ეს იდეალური აირი ყოველდღიურ ცხოვრებაში არ არსებობს. იდეალური აირი მხოლოდ იდეალური მოდელია, მსგავსი მყარი სხეულისა და იდეალური სითხის კონცეფციებისა. ამიტომ, ჩვენ ვვარაუდობთ, რომ ზემოთ მოცემული სამი აირის კანონი გამოიყენება ყველა იდეალურ აირისებრ პირობაზე.

გაზის კანონის ამოცანების ამოხსნისას ტემპერატურა უნდა გამოისახოს კელვინის შკალით. თუ გაზის წნევა კვლავ საზომი წნევაა, ჯერ ის აბსოლუტურ წნევად გადააქციეთ. აბსოლუტური წნევა = ატმოსფერული წნევა + ბარომეტრიული წნევაr.