Бойлын хууль, Чарльзын хууль болон Г.Луссакийн хууль

Бойлын хууль, Чарльзын хууль болон Г.Луссакийн хууль

Бойлын хууль

Robert Boyle (1627‐1691) melakukan eksperimen untuk menyelidiki hubungan kuantitatif antara tekanan dan volume gas. Percobaan ini dilakukan dengan memasukkan sejumlah gas tertentu ke dalam sebuah wadah tertutup. Sampai pendekatan yang cukup baik, Ia menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas bertambah. Tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Бойлын хуульМатематикийн хувьд:

Бойлийн хуулийг мөн дараах байдлаар бичиж болно.

PV = тогтмол → тэгшитгэл 1

P ₁ V ₁ = P ₂ V ₂ → тэгшитгэл 2

1-р тэгшитгэлийн утга нь тогтмол температурт (T) хийн даралт (P) өөрчлөгдвөл хийн эзэлхүүн (V) мөн өөрчлөгддөг тул даралт ба эзэлхүүний үржвэр үргэлж тогтмол байдаг. Хэрэв хийн даралт нэмэгдвэл хийн эзэлхүүн буурах эсвэл эсрэгээр, хэрэв хийн даралт буурвал хийн эзэлхүүн нэмэгдэж, даралт ба эзэлхүүний үржвэр үргэлж тогтмол байдаг.

Эзэлхүүн ба даралтын хоорондын хамаарлыг харуулсан график нь доорхтой төстэй харагдаж байна. Роберт Бойл туршилтууд дээрээ үндэслэн хийн эзэлхүүн жигд бус өөрчлөгдөж, график дээрх шугам муруй харагддаг болохыг олж мэджээ. График дээр дүрслэгдсэн даралт нь хэмжигч даралт биш, харин абсолют даралт юм.

Чарльзын хууль

Роберт Бойл эзэлхүүн ба даралтын хоорондын хамаарлыг нээснээс хойш зуун жилийн дараа Францын эрдэмтэн Жак Чарльз (1746–1823) температур ба хийн эзэлхүүний хоорондын хамаарлыг судалсан. Тэрээр туршилтууд дээрээ үндэслэн хийн даралт тогтмол хэвээр байвал хийн температур нэмэгдэхийн хэрээр эзэлхүүн нь мөн нэмэгддэг болохыг тогтоожээ. Үүний эсрэгээр хийн температур буурах тусам эзэлхүүн нь мөн буурдаг.

^{Температурын өөрчлөлтөөс шалтгаалан хийн эзэлхүүний өөрчлөлт тогтмол явагддаг тул энэ график дээрх шугам шулуун харагдаж байна. Хэрэв график дээрх шугамыг бага температурт зурсан бол тэнхлэгийг -273 °} C орчимд огтлолцоно.

Хийсэн олон туршилтын үндсэн дээр хий бүрийн эзлэхүүний өөрчлөлтийн хэмжээ өөр өөр боловч V-T график дээрх шугамыг бага температурт татахад шугам нь тэнхлэгийг үргэлж -273 ^{o C орчимд огтлолцдог болохыг тогтоосон. Хэрэв хий -273 o} C хүртэл хөргөвөл хийн эзэлхүүн = 0 гэж хэлж болно. Хэрэв хийг температур нь -273 ^o C-аас доош болтол дахин хөргөвөл хийн эзэлхүүн сөрөг утгатай байх бөгөөд энэ нь боломжгүй зүйл юм.

Тиймээс -273 ^oC нь хүрч болох хамгийн бага температур юм. Учир нь шугам нь тэнхлэгийг -273 орчимд огтлолцдог. ^oC дараа нь харилцан тохиролцсоны дагуу хүрч болох хамгийн бага температур -273,15 байсан гэж тогтоосон. ^oC. ‐273,15 ^oC-г абсолют тэг температур гэж нэрлэдэг бөгөөд абсолют хэмжүүр буюу Кельвиний хэмжүүрийн лавлагаа болгон ашигладаг. Кельвинийг Британийн физикч Лорд Келвиний (1824–1907) нэрээр нэрлэжээ. Энэ хэмжүүр дээр температурыг Кельвиний градусаар биш, харин Кельвин (K)-ээр илэрхийлдэг.^oK). Градусын хоорондох зай нь Цельсийн шаталбартай ижил байна. 0 K = ‐273,15 ^oC ба 273,15 K = 0 ^oC.

Цельсийн шаталбар дахь температурыг 273,15-ыг нэмж Кельвиний шаталбар руу, харин Кельвиний шаталбар дахь температурыг 273,15-ыг хасаж Цельсийн шаталбар руу хөрвүүлж болно. Математикийн хувьд:

Т (К) = Т ( ^о К) + 273,15

T ( ^o C) = T (K) ‐ 273,15

Мэдээлэл:

Т = Температур

K = Кельвин

C = Цельсийн

Хэрэв температурыг Келвиний хэмжүүрээр илэрхийлбэл дээрх график нь доорх зураг шиг харагдах болно.

Энэхүү график дээр үндэслэн тогтмол даралттай үед хийн эзэлхүүн нь үргэлж абсолют температуртай шууд пропорциональ байдаг гэж дүгнэж болно. Хэрэв хийн абсолют температур нэмэгдвэл эзэлхүүн нь мөн нэмэгддэг; эсрэгээрээ, хэрэв хийн абсолют температур буурвал эзэлхүүн нь мөн буурдаг. Энэ хамаарлыг Чарльзын хууль гэж нэрлэдэг. Математикийн хувьд үүнийг дараах байдлаар бичнэ.

Эзлэхүүн ∝ Температур → Тогтмол даралт

V ∝ T → P тогтмол

Чарльзын хуулийг мөн дараах байдлаар бичиж болно.

1-р тэгшитгэлийн утга нь тогтмол даралт (P) үед хийн абсолют температур (T) өөрчлөгдвөл хийн эзэлхүүн (V) мөн өөрчлөгддөг тул абсолют температур ба эзэлхүүний харьцуулалтын үр дүн үргэлж тогтмол байдаг. Хэрэв хийн абсолют температур нэмэгдвэл хийн эзэлхүүн мөн нэмэгддэг, эсвэл эсрэгээр, хэрэв хийн абсолют температур буурвал хийн эзэлхүүн мөн буурдаг тул температур ба эзэлхүүний харьцуулалт үргэлж тогтмол байдаг. Хийн абсолют температур гэдэг нь Келвиний шатлалаар илэрхийлэгдсэн хийн температур юм. Хэрэв температур Цельсийн шатлал дээр хэвээр байвал эхлээд Келвиний шатлал руу хөрвүүлнэ.

Гей-Луссакийн хууль

Жозеф Гей-Луссак (1778–1850) туршилт хийж, хийн эзэлхүүнийг тогтмол байлгавал хийн даралт нэмэгдэхийн хэрээр хийн абсолют температур мөн нэмэгддэг болохыг тогтоожээ. Үүний эсрэгээр хийн даралт буурах тусам хийн абсолют температур мөн буурдаг. Тогтмол эзэлхүүнтэй үед хийн даралт нь хийн абсолют температуртай шууд пропорциональ байна. Энэ хамаарлыг Гей-Луссакийн хууль гэж нэрлэдэг. Математикийн хувьд:

Даралт ∝ Температур → Тогтмол эзэлхүүн

P ∝ T → V тогтмол

Гей-Луссакийн хуулийг дараах байдлаар бичиж болно.

1-р тэгшитгэлийн утга нь тогтмол эзэлхүүн (V) үед хийн даралт (P) өөрчлөгдвөл хийн абсолют температур (T) мөн өөрчлөгддөг тул даралт ба абсолют температурын харьцуулалтын үр дүн тогтмол байна гэсэн үг юм. Өөрөөр хэлбэл, хийн даралт нэмэгдвэл хийн абсолют температур мөн нэмэгддэг, эсвэл эсрэгээрээ хийн даралт буурвал хийн абсолют температур мөн буурдаг тул даралт ба температурын харьцуулалт үргэлж тогтмол байдаг.

Хийн абсолют температур гэдэг нь Кельвиний шаталбараар илэрхийлэгдсэн хийн температур юм. Хэрэв температур Цельсийн шаталбар дээр хэвээр байвал эхлээд Кельвиний шаталбарт шилжүүлнэ.

Бойлын хууль, Чарльзын хууль, Гей-Люссакийн хууль нь хийн даралт болон нягтрал хэт өндөр биш тохиолдолд үнэн зөв үр дүн өгдөг гэдгийг тэмдэглэх нь чухал юм. Цаашилбал, эдгээр гурван хууль нь зөвхөн температур нь буцалгах цэгтээ ойр биш хийд хамаарна.

Энэ баримт дээр үндэслэн Бойлын хууль, Чарльзын хууль, Гей-Люссакийн хууль нь бүх хийн нөхцөлд хэрэглэгдэх боломжгүй гэж дүгнэж болно. Эдгээрийг бүх бодит хийн нөхцөлд хэрэглэж болохгүй тул бидэнд идеал хий буюу төгс хий гэсэн ойлголт хэрэгтэй. Энэхүү идеал хий нь өдөр тутмын амьдралд байдаггүй. Идеал хий нь зөвхөн хатуу биет ба идеал шингэний тухай ойлголттой төстэй идеал загвар юм. Тиймээс бид дээрх гурван хийн хууль нь бүх идеал хийн нөхцөлд хэрэглэгдэх болно гэж үзэж байна.

Хийн хуулийн бодлогуудыг бодохдоо температурыг Келвиний шатлалаар илэрхийлэх ёстой. Хэрэв хийн даралт нь хэмжих даралт хэвээр байвал эхлээд үүнийг абсолют даралт болгон хөрвүүл. Абсолют даралт = атмосферийн даралт + хэмжигч даралт r.