Бойлын хууль, Чарльзын хууль, Гей-Люссакийн хууль гэсэн нийтлэл
Бойлын хууль
Роберт Бойл (1627-1691) хийн даралт ба эзэлхүүний хоорондын тоон хамаарлыг судлах туршилтуудыг хийсэн. Энэ туршилтыг тодорхой хэмжээний хий битүү саванд хийх замаар явуулдаг. Тэрээр нэлээд сайн арга барил гаргах хүртлээ хийн температурыг тогтмол байлгавал хийн даралт нэмэгдэхэд хийн эзэлхүүн буурдаг болохыг тогтоожээ. Үүнтэй адил хийн даралт буурахад хийн эзэлхүүн нэмэгддэг. Хийн даралт нь хийн эзэлхүүнтэй урвуу хамааралтай байдаг. Энэ хамаарлыг Бойлын хууль гэж нэрлэдэг. Математикийн 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 өөрчлөгдөнө гэсэн үг юм.
ингэснээр даралт ба эзэлхүүний үржвэрийн үр дүн үргэлж тогтмол байна. Хэрэв хийн даралт нэмэгдвэл хийн эзэлхүүн буурна эсвэл эсрэгээр хэрэв хийн даралт буурвал хийн эзэлхүүн нэмэгдэнэ, тиймээс даралт ба эзэлхүүний үржвэр үргэлж тогтмол байна.
Эзэлхүүн ба даралтын хоорондын хамаарлыг харуулсан график нь доорх зурагт үзүүлсэн шиг харагдаж байна. Туршилтын үр дүнд үндэслэн Роберт Бойл хийн эзэлхүүн жигд бус өөрчлөгдөж, график дахь шугамууд муруй харагдаж байгааг тогтоожээ. График дээр дүрслэгдсэн даралт нь 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. Туршилтын үр дүнд үндэслэн тэрээр хийн даралт үргэлж тогтмол байх үед хийн температур нэмэгдэхэд хийн эзэлхүүн мөн нэмэгддэг болохыг тогтоожээ. Үүний эсрэгээр хийн температур буурахад хийн эзэлхүүн мөн буурдаг.
Температурын өөрчлөлтөөс үүдэлтэй хийн эзэлхүүний өөрчлөлт тогтмол явагддаг тул энэ график дээрх шугамууд шулуун харагдаж байна. Хэрэв график дээрх шугамуудыг температур буурах хүртэл дүрсэлсэн бол шугам нь тэнхлэгийг -273 o C орчимд огтолно.
Хийсэн олон туршилтын үндсэн дээр хий бүрийн эзлэхүүний өөрчлөлтийн хэмжээ харилцан адилгүй байдаг ч гэсэн
VT график дээрх шугамуудыг бага температурт татахад шугам нь тэнхлэгийг үргэлж -273 o C орчимд огтолно. Хэрэв хий -273 o C хүртэл хөргөвөл хийн эзэлхүүн = 0 гэж хэлж болно. Хэрэв хийг температур -273 o C-аас доош болтол дахин хөргөвөл хийн эзэлхүүн сөрөг 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. oГэрээний дагуу C-д хүрч болох хамгийн бага температур нь -273.15 гэж тогтоогдсон. oC. -273.15 oC-г абсолют тэг температур гэж нэрлэдэг бөгөөд абсолют хэмжээний лавлах буюу Келвиний хэмжээс болгон ашигладаг. Келвин бол Британийн физикч Лорд Келвиний (1824-1907) нэр юм. Энэ хэмжээс дээр температурыг Келвинээр биш, харин Келвинээр (K) илэрхийлдэг.oK) градус. Градусын хоорондох зай нь Цельсийн шаталбартай ижил байна. 0 K = -273.15 oC ба 273.15 K = 0 oC.
Цельсийн шаталбар дээрх температурыг 273.15-ыг нэмж Кельвиний шаталбар болгон хувиргаж болох бөгөөд Кельвиний шаталбар дээрх температурыг 273.15-ыг бууруулж Цельсийн шаталбар болгон хувиргаж болно. Математикийн хувьд:
Т (К) = Т ( о К) + 273.15
Т ( o C) = Т (K) – 273.15
Т = Температур
K = Кельвин
C = Цельсийн
Хэрэв температурыг Келвиний шаталбараар илэрхийлбэл дээрх хүснэгт нь доорх зураг шиг харагдах болно.
Энэхүү график дээр үндэслэн тогтмол даралттай үед хийн эзэлхүүн нь үргэлж хийн абсолют температуртай шууд пропорциональ байдаг гэж дүгнэж болно. Хэрэв хийн абсолют температур нэмэгдвэл хийн эзэлхүүн мөн нэмэгддэг бол эсрэгээрээ хийн абсолют температур буурвал хийн эзэлхүүн мөн буурдаг. Энэ хамаарлыг Чарльзын хууль гэж нэрлэдэг. Математикийн хувьд:
Эзлэхүүн α Температур → Тогтмол даралт
V α T → P тогтмол
1-р тэгшитгэлийн утга нь тогтмол даралттай үед (P) хэрэв абсолют температур (T) өөрчлөгдвөл хийн эзэлхүүн (V) мөн өөрчлөгдөж, абсолют температур ба эзэлхүүний харьцаа үргэлж тогтмол байна. Хэрэв хийн абсолют температур нэмэгдвэл хийн эзэлхүүн мөн нэмэгдэх эсвэл хийн абсолют температур буурвал эсрэгээрээ өөрчлөгдөнө.
Хийн эзэлхүүн мөн буурдаг тул температур ба эзэлхүүний харьцаа үргэлж тогтмол байдаг. Хийн абсолют температур нь хийн температур бөгөөд үүнийг Кельвиний шатлалаар илэрхийлдэг. Хэрэв температур Цельсийн шатлалд хэвээр байвал эхлээд Кельвиний шатлал руу өөрчилнө үү.
Гей-Люссакийн хууль
Жозеф Гей-Луссак (1778-1850) туршилт хийж, хэрэв хийн эзэлхүүнийг тогтмол тохируулбал хийн даралт нэмэгдэхэд хийн абсолют температур нэмэгддэг болохыг тогтоожээ. Үүнтэй адил хийн даралт буурахад хийн абсолют температур буурдаг. Тогтмол эзэлхүүнтэй үед хийн даралт нь хийн абсолют температуртай шууд пропорциональ байна. Энэ хамаарлыг Гей-Луссакийн хууль гэж нэрлэдэг. Математикийн хувьд:
Даралт α Температур → Тогтмол эзэлхүүн
P α T → V нь тогтмол байна
1-р тэгшитгэлийн утга нь тогтмол эзэлхүүн (V) үед хийн даралт (P) өөрчлөгдвөл хийн абсолют температур (T) мөн өөрчлөгддөг тул даралт ба абсолют температурын харьцаа тогтмол байна гэсэн үг юм. Өөрөөр хэлбэл, хийн даралт нэмэгдвэл хийн абсолют температур мөн нэмэгддэг эсвэл хийн даралт буурвал эсрэгээрээ өөрчлөгддөг.
хийн абсолют температур мөн буурдаг тул даралт ба температурын харьцаа үргэлж тогтмол байдаг.
Хийн абсолют температурыг Келвиний шаталбараар илэрхийлсэн хийн температур гэнэ. Хэрэв температур Цельсийн шаталбараар хэвээр байвал эхлээд Келвиний шаталбараар өөрчилнө үү.
Бойлын хууль, Чарльзын хууль, Гей-Люссакийн хууль нь хийн даралт болон нягтрал хэт ач холбогдолтой биш үед үнэн зөв үр дүн өгдөг болохыг анхаарна уу. Цаашилбал, эдгээр гурван хууль нь зөвхөн буцалгах цэгт ойр биш температуртай хийд хамаарна.
Энэ баримт дээр үндэслэн Бойлын хууль, Чарльзын хууль, Гей-Люссакийн хууль нь бүх хийн нөхцөлд хэрэглэгдэх боломжгүй гэж дүгнэж болно. Энэ нь бүх бодит хийн нөхцөлд хамаарахгүй тул бидэнд Идеал хийн тухай ойлголт хэрэгтэй. Энэхүү идеал хий нь өдөр тутмын амьдралд байдаггүй. Идеал хий нь зүгээр л идеал хатуу ба шингэн гэсэн идеал 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 хэмжих даралтын хэлбэрээр хэвээр байвал эхлээд үнэмлэхүй даралт болгон өөрчилнө үү. Үнэмлэхүй даралт = атмосферийн даралт + хэмжих даралтын хэмжээс
