Legea lui Boyle, Legea lui Charles și Legea lui G. Lussac
Legea lui Boyle
Robert Boyle (1627–1691) a efectuat experimente pentru a investiga relația cantitativă dintre presiunea și volumul gazului. Acest experiment a implicat plasarea unei anumite cantități de gaz într-un recipient închis. Cu o aproximare destul de bună, el a descoperit că, dacă temperatura gazului este menținută constantă, atunci pe măsură ce presiunea gazului crește, volumul gazului scade. De asemenea, atunci când presiunea gazului scade, volumul gazului crește. Presiunea gazului este invers proporțională cu volumul gazului. Această relație este cunoscută sub numele de Legea lui BoyleMatematic:
Legea lui Boyle poate fi scrisă și ca:
PV = constantă → ecuația 1
P1 V1 = P2 V2 → ecuația 2
Semnificația ecuației 1 este că, la o temperatură constantă (T), dacă presiunea (P) gazului se modifică, volumul (V) gazului se modifică și el, astfel încât produsul dintre presiune și volum este întotdeauna constant. Dacă presiunea gazului crește, volumul gazului scade sau invers, dacă presiunea gazului scade, volumul gazului crește, astfel încât produsul dintre presiune și volum este întotdeauna constant.
Un grafic care prezintă relația dintre volum și presiune arată ca cel de mai jos. Pe baza experimentelor sale, Robert Boyle a descoperit că volumul gazului se modifică neregulat, ceea ce face ca linia de pe grafic să apară curbată. Presiunea reprezentată pe grafic este presiunea absolută, nu presiunea manometrică.
Legea lui Charles
La o sută de ani după ce Robert Boyle a descoperit relația dintre volum și presiune, omul de știință francez Jacques Charles (1746–1823) a investigat relația dintre temperatură și volumul gazului. Pe baza experimentelor sale, el a descoperit că, dacă presiunea gazului rămâne constantă, atunci pe măsură ce temperatura gazului crește, volumul crește și el. Invers, pe măsură ce temperatura gazului scade, volumul scade și el.
Modificările volumului de gaz datorate schimbărilor de temperatură au loc în mod regulat, așadar linia de pe acest grafic apare dreaptă. Dacă linia de pe grafic ar fi trasată la temperaturi mai scăzute, aceasta ar intersecta axa la aproximativ -273°C. oC.
Pe baza numeroaselor experimente efectuate, s-a constatat că, deși magnitudinea modificării volumului pentru fiecare gaz este diferită, atunci când linia de pe graficul V-T este trasată la o temperatură mai scăzută, linia intersectează întotdeauna axa la aproximativ -273°F. oC. Putem spune că dacă gazul este răcit la -273 oC atunci volumul gazului = 0. Dacă gazul este răcit din nou până când temperatura scade sub -273 oC atunci volumul gazului va fi negativ, lucru imposibil.
Deci ‐273 oC este cea mai scăzută temperatură care poate fi atinsă. Deoarece linia intersectează axa în jurul valorii de -273 oC, apoi, conform unui acord reciproc, s-a stabilit că cea mai scăzută temperatură care putea fi atinsă era de -273,15 oC.‐273,15 oC se numește temperatură zero absolută și este folosită ca referință pentru scara absolută, cunoscută și sub numele de scara Kelvin. Kelvin este numit după Lord Kelvin (1824–1907), un fizician britanic. Pe această scară, temperatura este exprimată în Kelvin (K), nu în grade Kelvin (oK). Distanța dintre grade este aceeași ca pe scara Celsius. 0 K = -273,15 oC și 273,15 K = 0 oC.
Temperatura pe scara Celsius poate fi convertită în grade Kelvin prin adăugarea a 273,15, iar temperatura pe scara Kelvin poate fi convertită în grade Celsius prin scăderea a 273,15. Matematic:
T(K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T(K) ‐ 273,15
Informație :
T = Temperatură
K = Kelvin
C = Celsius
Dacă temperatura este exprimată în scală Kelvin, atunci graficul de mai sus va arăta ca imaginea de mai jos.
Pe baza acestui grafic, se poate concluziona că, la presiune constantă, volumul gazului este întotdeauna direct proporțional cu temperatura absolută. Dacă temperatura absolută a unui gaz crește, volumul crește și el; invers, dacă temperatura absolută a unui gaz scade, volumul scade și el. Această relație este cunoscută sub numele de legea lui Charles. Matematic, se scrie astfel:
Volum ∝ Temperatură → Presiune constantă
V ∝ T → P constantă
Legea lui Charles poate fi scrisă și astfel:
Semnificația ecuației 1 este că, la presiune constantă (P), dacă temperatura absolută (T) a gazului se modifică, volumul (V) gazului se modifică și el, astfel încât rezultatul comparației dintre temperatura absolută și volum este întotdeauna constant. Dacă temperatura absolută a gazului crește, volumul gazului crește și el sau invers, dacă temperatura absolută a gazului scade, volumul gazului scade și el, astfel încât comparația dintre temperatură și volum este întotdeauna constantă. Prin temperatura absolută a unui gaz se înțelege temperatura gazului exprimată pe scara Kelvin. Dacă temperatura este încă pe scara Celsius, atunci convertiți-o mai întâi pe scara Kelvin.
Legea lui Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) a efectuat un experiment și a descoperit că, dacă volumul unui gaz este menținut constant, pe măsură ce presiunea gazului crește, crește și temperatura absolută a gazului. Invers, pe măsură ce presiunea gazului scade, scade și temperatura absolută a gazului. La un volum constant, presiunea gazului este direct proporțională cu temperatura absolută a gazului. Această relație se numește Legea lui Gay-Lussac. Matematic:
Presiune ∝ Temperatură → Volum constant
P ∝ T → V constantă
Legea lui Gay-Lussac poate fi scrisă și astfel:
Semnificația ecuației 1 este că, la un volum constant (V), dacă presiunea (P) a gazului se modifică, se modifică și temperatura absolută (T) a gazului, astfel încât rezultatul comparației dintre presiune și temperatura absolută este constant. Cu alte cuvinte, dacă presiunea gazului crește, crește și temperatura absolută a gazului sau, invers, dacă presiunea gazului scade, scade și temperatura absolută a gazului, astfel încât comparația dintre presiune și temperatură este întotdeauna constantă.
Prin temperatura absolută a unui gaz se înțelege temperatura gazului exprimată pe scara Kelvin. Dacă temperatura este încă pe scara Celsius, atunci convertiți-o mai întâi pe scara Kelvin.
Este important de menționat că legea lui Boyle, legea lui Charles și legea lui Gay-Lussac oferă rezultate precise dacă presiunea și densitatea gazului nu sunt prea mari. În plus, aceste trei legi se aplică numai gazelor ale căror temperaturi nu sunt apropiate de punctul lor de fierbere.
Pe baza acestui fapt, se poate concluziona că legea lui Boyle, legea lui Charles și legea lui Gay-Lussac nu pot fi aplicate tuturor condițiilor gazoase. Deoarece nu pot fi aplicate tuturor condițiilor reale de gaz, avem nevoie de conceptul de gaz ideal sau gaz perfect. Acest gaz ideal nu există în viața de zi cu zi. Un gaz ideal este doar un model ideal, similar conceptelor de corp rigid și fluid ideal. Prin urmare, presupunem că cele trei legi ale gazelor de mai sus se aplică în toate condițiile ideale de gaz.
În rezolvarea problemelor legate de legea gazelor, temperatura trebuie exprimată pe scara Kelvin. Dacă presiunea gazului este încă o presiune de măsurat, convertiți-o mai întâi în presiune absolută. Presiunea absolută = presiunea atmosferică + presiunea barometricăr.
