Artykuł Prawo Boyle'a, prawo Charles'a, prawo Gay-Lussaca
Prawo Boyle'a
Robert Boyle (1627–1691) przeprowadził eksperymenty mające na celu zbadanie ilościowej zależności między ciśnieniem gazu a jego objętością. Eksperyment ten polegał na wprowadzeniu określonej ilości gazu do zamkniętego pojemnika. Dopóki nie opracował dość skutecznego podejścia, odkrył, że jeśli temperatura gazu jest stała, to wraz ze wzrostem ciśnienia gazu zmniejsza się jego objętość. Analogicznie, gdy ciśnienie gazu spada, jego objętość wzrasta. Ciśnienie gazu jest odwrotnie proporcjonalne do jego objętości. Zależność ta znana jest jako prawo Boyle'a. Matematycznie:
Prawo Boyle’a można zapisać również w następujący sposób:
PV = stała → równanie 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → równanie 2
Znaczenie równania 1 jest takie, że przy stałej temperaturze (T) jeśli zmienia się ciśnienie (P) gazu, to zmienia się również objętość (V) gazu,
Tak więc wynik mnożenia ciśnienia przez objętość jest zawsze stały. Jeśli ciśnienie gazu rośnie, objętość gazu maleje i odwrotnie, jeśli ciśnienie gazu maleje, objętość gazu rośnie, więc mnożenie ciśnienia przez objętość jest zawsze stałe.
Wykres przedstawiający zależność między objętością a ciśnieniem wygląda jak na poniższym rysunku. Na podstawie wyników eksperymentu Robert Boyle odkrył, że objętość gazu zmienia się nieregularnie, przez co linie na wykresie wydają się zakrzywione. Ciśnienie przedstawione na wykresie to ciśnienie bezwzględne.
Prawo Charlesa
Sto lat po odkryciu przez Roberta Boyle'a związku między objętością a ciśnieniem, francuski naukowiec Jacques Charles (1746–1823) zbadał zależność między temperaturą a objętością gazu. Na podstawie wyników eksperymentu stwierdził, że gdy ciśnienie gazu jest zawsze stałe, to wraz ze wzrostem temperatury gazu wzrasta również jego objętość. I odwrotnie, gdy temperatura gazu spada, objętość gazu również maleje.
Zmiany objętości gazu spowodowane zmianami temperatury zachodzą regularnie, dlatego linie na tym wykresie wydają się proste. Jeśli linie na wykresie będą przedstawiane do momentu, gdy temperatura spadnie, linia przetnie oś w okolicach -273 ° C.
Na podstawie wielu przeprowadzonych eksperymentów stwierdzono, że chociaż wielkość zmiany objętości każdego gazu jest różna,
Gdy linie na wykresie VT zostaną narysowane do niższej temperatury, linia zawsze przecina oś w okolicach -273 ° C. Możemy powiedzieć, że jeśli gaz zostanie schłodzony do -273 ° C, to jego objętość = 0. Jeśli gaz zostanie ponownie schłodzony do temperatury poniżej -273 ° C, to jego objętość będzie ujemna, co jest niemożliwe.
Więc -273 oC to najniższa temperatura, jaką można osiągnąć. Ponieważ linia przecina oś w okolicach -273°C oC zgodnie z porozumieniem ustalono, że najniższa temperatura, jaką można osiągnąć, to -273.15 oC.-273.15 oSkala C nazywana jest temperaturą zera absolutnego i jest używana jako punkt odniesienia w skali absolutnej, czyli skali Kelvina. Kelvin to nazwisko Lorda Kelvina (1824–1907), brytyjskiego fizyka. W tej skali temperatura jest wyrażana w kelwinach (K), a nie w Kelwinach (K).oK) stopni. Odległość między stopniami jest taka sama jak w skali Celsjusza. 0 K = -273.15 oC i 273.15 K = 0 oC.
Temperaturę w skali Celsjusza można przeliczyć na skalę Kelvina, dodając 273.15, a temperaturę w skali Kelvina można przeliczyć na skalę Celsjusza, odejmując 273.15. Matematycznie:
T (K) = T ( ° C) + 273.15
T ( ° C) = T (K) – 273.15
T = Temperatura
K = Kelwin
C = stopnie Celsjusza
Jeśli temperaturę wyrazimy w skali Kelvina, powyższy wykres będzie wyglądał jak ten poniżej.
Na podstawie tego wykresu można stwierdzić, że przy stałym ciśnieniu objętość gazu jest zawsze wprost proporcjonalna do jego temperatury bezwzględnej. Jeśli temperatura bezwzględna gazu wzrasta, objętość gazu również wzrasta, i odwrotnie, jeśli temperatura bezwzględna gazu spada, objętość gazu również maleje. Zależność ta znana jest jako prawo Charlesa. W ujęciu matematycznym:
Objętość α Temperatura → Stałe ciśnienie
V α T → P stała
Znaczenie równania 1 jest takie, że przy stałym ciśnieniu (P), jeśli temperatura bezwzględna (T) ulega zmianie, objętość (V) gazu również ulega zmianie, tak że stosunek temperatury bezwzględnej do objętości jest zawsze stały. Jeśli temperatura bezwzględna gazu wzrasta, objętość gazu również wzrasta i odwrotnie, jeśli temperatura bezwzględna gazu spada,
Objętość gazu również maleje, więc stosunek temperatury do objętości jest zawsze stały. Temperatura bezwzględna gazu to temperatura gazu wyrażona w skali Kelvina. Jeśli temperatura nadal jest w skali Celsjusza, należy ją najpierw zmienić na skalę Kelvina.
Prawo Gay-Lussaca
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) przeprowadził eksperyment i odkrył, że jeśli objętość gazu jest stała, wraz ze wzrostem ciśnienia gazu wzrasta jego temperatura bezwzględna. Podobnie, gdy ciśnienie gazu spada, jego temperatura bezwzględna maleje. Przy stałej objętości ciśnienie gazu jest wprost proporcjonalne do jego temperatury bezwzględnej. Zależność ta nazywa się prawem Gay-Lussaca. W ujęciu matematycznym:
Ciśnienie α Temperatura → Stała objętość
P α T → V jest stałe
Znaczenie równania 1 jest takie, że przy stałej objętości (V), jeśli zmienia się ciśnienie (P) gazu, zmienia się również jego temperatura bezwzględna (T), tak że stosunek ciśnienia do temperatury bezwzględnej jest stały. Innymi słowy, jeśli ciśnienie gazu rośnie, jego temperatura bezwzględna również rośnie i odwrotnie, jeśli ciśnienie gazu spada.
temperatura bezwzględna gazu również ulega obniżeniu, w związku z czym stosunek ciśnienia do temperatury jest zawsze stały.
Temperatura bezwzględna gazu to temperatura gazu wyrażona w skali Kelvina. Jeśli temperatura nadal jest w skali Celsjusza, należy ją najpierw zmienić na skalę Kelvina.
Należy pamiętać, że prawo Boyle'a, prawo Charles'a i prawo Gay-Lussaca dają dokładne wyniki, gdy ciśnienie i gęstość gazu nie są zbyt istotne. Co więcej, te trzy prawa mają zastosowanie tylko do gazu, którego temperatura nie jest bliska temperatury wrzenia.
Na podstawie tego faktu można stwierdzić, że prawo Boyle'a, prawo Charles'a i prawo Gay-Lussaca nie mogą być stosowane do wszystkich warunków gazowych. Ponieważ nie mogą one odnosić się do wszystkich rzeczywistych warunków gazowych, potrzebujemy koncepcji gazu doskonałego. Taki gaz doskonały nie występuje w życiu codziennym. Gaz doskonały jest jedynie modelem idealnym, podobnym do koncepcji gazu sztywnego i idealnie płynnego. Zakładamy zatem, że trzy powyższe prawa gazowe mają zastosowanie do wszystkich warunków gazowych.
W rozwiązywaniu problemów z prawami gazowymi, temperatura musi być wyrażona w skali Kelvina. Jeśli ciśnienie gazu nadal ma postać ciśnienia pomiarowego, należy je najpierw zamienić na ciśnienie absolutne. Ciśnienie absolutne = ciśnienie atmosferyczne + ciśnienie pomiarowe.
