Hukum Boyle, Hukum Charles dan Hukum G. Lussac
Hukum Boyle
Robert Boyle (1627–1691) telah menjalankan eksperimen untuk mengkaji hubungan kuantitatif antara tekanan dan isipadu gas. Eksperimen ini melibatkan meletakkan sejumlah gas tertentu dalam bekas tertutup. Dengan anggaran yang agak baik, beliau mendapati bahawa jika suhu gas dikekalkan malar, maka apabila tekanan gas meningkat, isipadu gas berkurangan. Begitu juga, apabila tekanan gas berkurangan, isipadu gas meningkat. Tekanan gas berkadar songsang dengan isipadu gas. Hubungan ini dikenali sebagai Hukum BoyleSecara matematik:
Hukum Boyle juga boleh ditulis sebagai:
PV = pemalar → persamaan 1
P1 V1 = P2 V2 → persamaan 2
Maksud persamaan 1 ialah pada suhu malar (T), jika tekanan (P) gas berubah, isipadu (V) gas juga berubah supaya hasil darab tekanan dan isipadu sentiasa malar. Jika tekanan gas meningkat, isipadu gas berkurangan atau sebaliknya, jika tekanan gas berkurangan, isipadu gas meningkat, supaya hasil darab tekanan dan isipadu sentiasa malar.
Graf yang menunjukkan hubungan antara isipadu dan tekanan kelihatan seperti yang di bawah. Berdasarkan eksperimennya, Robert Boyle mendapati bahawa isipadu gas berubah secara tidak sekata, menyebabkan garis pada graf kelihatan melengkung. Tekanan yang digambarkan pada graf adalah tekanan mutlak, bukan tekanan tolok.
Hukum Charles
Seratus tahun selepas Robert Boyle menemui hubungan antara isipadu dan tekanan, saintis Perancis, Jacques Charles (1746–1823) mengkaji hubungan antara suhu dan isipadu gas. Berdasarkan eksperimennya, beliau mendapati bahawa jika tekanan gas kekal malar, maka apabila suhu gas meningkat, isipadu juga meningkat. Sebaliknya, apabila suhu gas berkurangan, isipadu juga berkurangan.
Perubahan isipadu gas akibat perubahan suhu berlaku secara berkala, jadi garis pada graf ini kelihatan lurus. Jika garis pada graf dilukis pada suhu yang lebih rendah, ia akan bersilang dengan paksi pada kira-kira -273°C. oC.
Berdasarkan banyak eksperimen yang telah dijalankan, didapati bahawa walaupun magnitud perubahan isipadu bagi setiap gas adalah berbeza, apabila garis pada graf V-T dilukis pada suhu yang lebih rendah, garis tersebut sentiasa memotong paksi sekitar -273 oC. Kita boleh katakan bahawa jika gas disejukkan kepada -273 oC maka isipadu gas = 0. Jika gas disejukkan semula sehingga suhu di bawah -273 oC maka isipadu gas akan menjadi negatif, sesuatu yang mustahil.
Jadi ‐273 oC ialah suhu terendah yang boleh dicapai. Kerana garisan tersebut bersilang dengan paksi pada sekitar -273 oC kemudian mengikut persetujuan bersama, telah ditentukan bahawa suhu terendah yang boleh dicapai ialah -273,15 oC. ‐273,15 oC dipanggil suhu sifar mutlak dan digunakan sebagai rujukan untuk skala mutlak, juga dikenali sebagai skala Kelvin. Kelvin dinamakan sempena Lord Kelvin (1824–1907), seorang ahli fizik British. Pada skala ini, suhu dinyatakan dalam Kelvin (K), bukan darjah Kelvin (oK). Jarak antara darjah adalah sama seperti pada skala Celsius. 0 K = ‐273,15 oC dan 273,15 K = 0 oC.
Suhu dalam skala Celsius boleh ditukar kepada skala Kelvin dengan menambah 273,15, suhu dalam skala Kelvin boleh ditukar kepada skala Celsius dengan menolak 273,15. Secara matematik:
T(K) = T(oC) + 273,15
T (oC) = T(K) ‐ 273,15
Penerangan:
T = Suhu
K = Kelvin
C = Celsius
Jika suhu dinyatakan dalam skala Kelvin maka graf di atas akan kelihatan seperti imej di bawah.
Berdasarkan graf ini, dapat disimpulkan bahawa pada tekanan malar, isipadu gas sentiasa berkadar terus dengan suhu mutlak. Jika suhu mutlak gas meningkat, isipadu juga meningkat; sebaliknya, jika suhu mutlak gas berkurangan, isipadu juga berkurangan. Hubungan ini dikenali sebagai hukum Charles. Secara matematik, ia ditulis seperti berikut:
Isipadu ∝ Suhu → Tekanan malar
V ∝ T → Pemalar P
Hukum Charles juga boleh ditulis seperti ini:
Maksud persamaan 1 ialah pada tekanan malar (P), jika suhu mutlak (T) gas berubah, isipadu (V) gas juga berubah supaya hasil perbandingan antara suhu mutlak dan isipadu sentiasa malar. Jika suhu mutlak gas meningkat, isipadu gas juga meningkat, atau sebaliknya, jika suhu mutlak gas berkurangan, isipadu gas juga berkurangan, supaya perbandingan antara suhu dan isipadu sentiasa malar. Apa yang dimaksudkan dengan suhu mutlak gas ialah suhu gas yang dinyatakan pada skala Kelvin. Jika suhu masih pada skala Celsius, maka tukarkannya kepada skala Kelvin terlebih dahulu.
Hukum Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) telah menjalankan satu eksperimen dan mendapati bahawa jika isipadu gas dikekalkan malar, apabila tekanan gas meningkat, suhu mutlak gas juga meningkat. Sebaliknya, apabila tekanan gas berkurangan, suhu mutlak gas juga berkurangan. Pada isipadu malar, tekanan gas adalah berkadar terus dengan suhu mutlak gas. Hubungan ini dipanggil Hukum Gay-Lussac. Secara matematik:
Tekanan ∝ Suhu → Isipadu malar
P ∝ T → V pemalar
Hukum Gay-Lussac juga boleh ditulis seperti ini:
Maksud persamaan 1 ialah pada isipadu malar (V), jika tekanan (P) gas berubah, suhu mutlak (T) gas juga berubah supaya keputusan perbandingan antara tekanan dan suhu mutlak adalah malar. Dalam erti kata lain, jika tekanan gas meningkat, suhu mutlak gas juga meningkat, atau sebaliknya, jika tekanan gas menurun, suhu mutlak gas juga menurun, supaya perbandingan antara tekanan dan suhu sentiasa malar.
Apa yang dimaksudkan dengan suhu mutlak gas ialah suhu gas yang dinyatakan pada skala Kelvin. Jika suhu masih pada skala Celsius, maka tukarkannya kepada skala Kelvin terlebih dahulu.
Penting untuk diperhatikan bahawa hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac memberikan hasil yang tepat jika tekanan dan ketumpatan gas tidak terlalu tinggi. Tambahan pula, ketiga-tiga hukum ini hanya terpakai kepada gas yang suhunya tidak hampir dengan takat didihnya.
Berdasarkan fakta ini, dapat disimpulkan bahawa hukum Boyle, hukum Charles, dan hukum Gay-Lussac tidak dapat digunakan untuk semua keadaan gas. Oleh kerana hukum ini tidak dapat digunakan untuk semua keadaan gas nyata, kita memerlukan konsep gas ideal, atau gas sempurna. Gas ideal ini tidak wujud dalam kehidupan seharian. Gas ideal hanyalah model ideal, serupa dengan konsep jasad tegar dan bendalir ideal. Oleh itu, kita menganggap ketiga-tiga hukum gas di atas berlaku di bawah semua keadaan gas ideal.
Dalam menyelesaikan masalah hukum gas, suhu mesti dinyatakan pada skala Kelvin. Jika tekanan gas masih merupakan tekanan pengukur, tukarkannya kepada tekanan mutlak terlebih dahulu. Tekanan mutlak = tekanan atmosfera + tekanan barometrikr.
