Boila likums, Čārlza likums un G. Lusaka likums
Boila likums
Roberts Boils (1627–1691) veica eksperimentus, lai izpētītu kvantitatīvo attiecību starp gāzes spiedienu un tilpumu. Šajā eksperimentā noteikts gāzes daudzums tika ievietots slēgtā traukā. Ar diezgan precīzu tuvinājumu viņš atklāja, ka, ja gāzes temperatūra tiek uzturēta nemainīga, tad, palielinoties gāzes spiedienam, gāzes tilpums samazinās. Tāpat, samazinoties gāzes spiedienam, gāzes tilpums palielinās. Gāzes spiediens ir apgriezti proporcionāls gāzes tilpumam. Šī attiecība ir pazīstama kā Boila likumsMatemātiski:
Boila likumu var uzrakstīt arī šādi:
PV = konstante → 1. vienādojums
P1 V1 = P2 V2 → 2. vienādojums
1. vienādojuma nozīme ir tāda, ka pie nemainīgas temperatūras (T), ja mainās gāzes spiediens (P), mainās arī gāzes tilpums (V), tāpēc spiediena un tilpuma reizinājums vienmēr ir nemainīgs. Ja gāzes spiediens palielinās, gāzes tilpums samazinās vai otrādi, ja gāzes spiediens samazinās, gāzes tilpums palielinās, tāpēc spiediena un tilpuma reizinājums vienmēr ir nemainīgs.
Grafikā, kas attēlo tilpuma un spiediena attiecību, redzams zemāk redzamais grafiks. Balstoties uz saviem eksperimentiem, Roberts Boils atklāja, ka gāzes tilpums mainās neregulāri, kā rezultātā līnija grafikā izskatās izliekta. Grafikā attēlotais spiediens ir absolūtais spiediens, nevis manometriskais spiediens.
Čārlza likums
Simts gadus pēc tam, kad Roberts Boils atklāja tilpuma un spiediena savstarpējo saistību, franču zinātnieks Žaks Šarls (1746–1823) pētīja temperatūras un gāzes tilpuma savstarpējo saistību. Balstoties uz saviem eksperimentiem, viņš atklāja, ka, ja gāzes spiediens paliek nemainīgs, tad, palielinoties gāzes temperatūrai, palielinās arī tilpums. Un otrādi, samazinoties gāzes temperatūrai, samazinās arī tilpums.
Gāzes tilpuma izmaiņas temperatūras izmaiņu dēļ notiek regulāri, tāpēc līnija šajā grafikā izskatās taisna. Ja līnija grafikā tiktu novilkta zemākā temperatūrā, tā krustotos ar asi aptuveni -273°C temperatūrā. oC.
Pamatojoties uz daudziem veiktajiem eksperimentiem, tika konstatēts, ka, lai gan katras gāzes tilpuma izmaiņu lielums ir atšķirīgs, kad līnija V-T grafikā tiek novilkta zemākā temperatūrā, tā vienmēr krusto asi aptuveni -273 grādos. oC. Var teikt, ka, ja gāzi atdzesē līdz -273 oC, tad gāzes tilpums = 0. Ja gāzi atkal atdzesē, līdz temperatūra ir zemāka par -273 oC, tad gāzes tilpums būs negatīvs, kas nav iespējams.
Tātad ‐273 oC ir zemākā temperatūra, ko var sasniegt. Tā kā līnija krustojas ar asi aptuveni -273 oC, tad pēc savstarpējas vienošanās tika noteikts, ka zemākā sasniedzamā temperatūra ir -273,15 oC. ‐273,15 oC sauc par absolūto nulles temperatūru un tiek izmantota kā atskaites punkts absolūtajai skalai, kas pazīstama arī kā Kelvina skala. Kelvins ir nosaukts britu fiziķa lorda Kelvina (1824–1907) vārdā. Šajā skalā temperatūra tiek izteikta kelvinos (K), nevis kelvina grādos (oK). Attālums starp grādiem ir tāds pats kā Celsija skalā. 0 K = ‐273,15 oC un 273,15 K = 0 oC.
Temperatūru Celsija skalā var pārvērst Kelvina skalā, pieskaitot 273,15, temperatūru Kelvina skalā var pārvērst Celsija skalā, atņemot 273,15. Matemātiski:
T(K) = T(oC) + 273,15
T (oC) = T (K) - 273,15
Informācija:
T = Temperatūra
K = Kelvins
C = Celsija
Ja temperatūra ir izteikta Kelvina skalā, tad iepriekš redzamais grafiks izskatīsies kā attēls zemāk.
Balstoties uz šo grafiku, var secināt, ka pie nemainīga spiediena gāzes tilpums vienmēr ir tieši proporcionāls absolūtajai temperatūrai. Ja gāzes absolūtā temperatūra palielinās, palielinās arī tilpums; un otrādi, ja gāzes absolūtā temperatūra samazinās, samazinās arī tilpums. Šī sakarība ir pazīstama kā Čārlza likums. Matemātiski to uzraksta šādi:
Tilpums ∝ Temperatūra → Pastāvīgs spiediens
V ∝ T → P konstante
Čārlza likumu var uzrakstīt arī šādi:
1. vienādojuma nozīme ir tāda, ka pie konstanta spiediena (P), ja mainās gāzes absolūtā temperatūra (T), mainās arī gāzes tilpums (V), tāpēc salīdzinājuma rezultāts starp absolūto temperatūru un tilpumu vienmēr ir nemainīgs. Ja gāzes absolūtā temperatūra palielinās, palielinās arī gāzes tilpums, vai otrādi, ja gāzes absolūtā temperatūra samazinās, samazinās arī gāzes tilpums, tāpēc salīdzinājuma rezultāts starp temperatūru un tilpumu vienmēr ir nemainīgs. Ar gāzes absolūto temperatūru tiek domāta gāzes temperatūra, kas izteikta Kelvina skalā. Ja temperatūra joprojām ir Celsija skalā, vispirms tā jāpārrēķina Kelvina skalā.
Geja-Lusaka likums
Džozefs Gejs-Lisaka (1778–1850) veica eksperimentu un atklāja, ka, ja gāzes tilpums tiek uzturēts nemainīgs, tad, palielinoties gāzes spiedienam, palielinās arī gāzes absolūtā temperatūra. Un otrādi, samazinoties gāzes spiedienam, samazinās arī gāzes absolūtā temperatūra. Pie nemainīga tilpuma gāzes spiediens ir tieši proporcionāls gāzes absolūtajai temperatūrai. Šo sakarību sauc par Geja-Lisaka likumu. Matemātiski:
Spiediens ∝ Temperatūra → Nemainīgs tilpums
P ∝ T → V konstante
Geja-Lusaka likumu var uzrakstīt arī šādi:
1. vienādojuma nozīme ir tāda, ka pie nemainīga tilpuma (V), ja mainās gāzes spiediens (P), mainās arī gāzes absolūtā temperatūra (T), tāpēc spiediena un absolūtās temperatūras salīdzinājuma rezultāts ir nemainīgs. Citiem vārdiem sakot, ja gāzes spiediens palielinās, palielinās arī gāzes absolūtā temperatūra, vai, otrādi, ja gāzes spiediens samazinās, samazinās arī gāzes absolūtā temperatūra, tāpēc spiediena un temperatūras salīdzinājums vienmēr ir nemainīgs.
Ar gāzes absolūto temperatūru tiek domāta gāzes temperatūra, kas izteikta Kelvina skalā. Ja temperatūra joprojām ir Celsija skalā, vispirms tā jāpārrēķina Kelvina skalā.
Ir svarīgi atzīmēt, ka Boila likums, Čārlza likums un Geja-Lusaka likums sniedz precīzus rezultātus, ja gāzes spiediens un blīvums nav pārāk augsti. Turklāt šie trīs likumi attiecas tikai uz gāzēm, kuru temperatūra nav tuvu to viršanas temperatūrai.
Pamatojoties uz šo faktu, var secināt, ka Boila likumu, Čārlza likumu un Geja-Lisaka likumu nevar piemērot visiem gāzes stāvokļiem. Tā kā tos nevar piemērot visiem reālajiem gāzes stāvokļiem, mums ir nepieciešams ideālas gāzes jeb perfektas gāzes jēdziens. Šāda ideāla gāze ikdienas dzīvē nepastāv. Ideāla gāze ir tikai ideāls modelis, līdzīgi kā stingra ķermeņa un ideāla šķidruma jēdzieni. Tāpēc mēs pieņemam, ka iepriekš minētie trīs gāzes likumi ir spēkā visos ideālās gāzes stāvokļos.
Risinot gāzes likumu problēmas, temperatūra jāizsaka Kelvina skalā. Ja gāzes spiediens joprojām ir mērīšanas spiediens, vispirms tas jāpārvērš absolūtajā spiedienā. Absolūtais spiediens = atmosfēras spiediens + barometriskais spiediens.r.
