Закон Бойля, закон Шарля и закон Ж. Люссака
Закон Бойля
Роберт Бойл (1627–1691) проводил эксперименты по исследованию количественной зависимости между давлением газа и его объемом. В ходе эксперимента определенное количество газа помещалось в закрытый контейнер. С достаточно высокой степенью точности он обнаружил, что если температура газа остается постоянной, то при увеличении давления газа его объем уменьшается. Аналогично, при уменьшении давления газа его объем увеличивается. Давление газа обратно пропорционально его объему. Эта зависимость известна как Закон БойляМатематически:
Закон Бойля также можно записать следующим образом:
PV = константа → уравнение 1
P1 V1 = P2 V2 → уравнение 2
Смысл уравнения 1 заключается в том, что при постоянной температуре (T) при изменении давления (P) газа изменяется и объем (V) газа, так что произведение давления и объема всегда остается постоянным. При увеличении давления газа объем газа уменьшается, и наоборот, при уменьшении давления газа объем газа увеличивается, так что произведение давления и объема всегда остается постоянным.
График, показывающий зависимость объема от давления, выглядит так, как показано ниже. На основе своих экспериментов Роберт Бойль обнаружил, что объем газа изменяется неравномерно, из-за чего линия на графике кажется изогнутой. Давление, изображенное на графике, — это абсолютное давление, а не избыточное.
Закон Карла
Спустя сто лет после того, как Роберт Бойль открыл зависимость между объемом и давлением, французский ученый Жак Шарль (1746–1823) исследовал зависимость между температурой и объемом газа. На основе своих экспериментов он обнаружил, что если давление газа остается постоянным, то с повышением температуры газа объем также увеличивается. И наоборот, с понижением температуры газа объем также уменьшается.
Изменения объема газа, вызванные изменениями температуры, происходят регулярно, поэтому линия на этом графике выглядит прямой. Если бы линия на графике была проведена при более низких температурах, она бы пересекла ось примерно в точке -273°C. oC.
На основе многочисленных проведенных экспериментов было установлено, что, хотя величина изменения объема для каждого газа различна, при построении линии на графике V-T при более низкой температуре, линия всегда пересекает ось примерно в точке -273°C. oC. Можно сказать, что если газ охладить до -273 oЕсли C, то объем газа равен 0. Если газ снова охладить до температуры ниже -273°C, то объем газа равен 0. oВ этом случае объем газа будет отрицательным, что невозможно.
Итак, -273 oC — это самая низкая температура, которая может быть достигнута. Потому что линия пересекает ось примерно в точке -273°. oЗатем, по взаимному соглашению, было определено, что минимальная достижимая температура составляет -273,15 °C. oС. ‐273,15 oТемпература C называется абсолютным нулем и используется в качестве эталона для абсолютной шкалы, также известной как шкала Кельвина. Шкала Кельвина названа в честь лорда Кельвина (1824–1907), британского физика. В этой шкале температура выражается в Кельвинах (K), а не в градусах Кельвина (K).oК). Расстояние между градусами такое же, как и по шкале Цельсия. 0 К = -273,15 oC и 273,15 K = 0 oC.
Температуру по шкале Цельсия можно перевести в шкалу Кельвина, прибавив 273,15, а температуру по шкале Кельвина — вычтя 273,15. Математически:
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) ‐ 273,15
Информация :
T = Температура
К = Кельвин
C = Цельсий
Если температура выражена в Кельвинах, то график выше будет выглядеть так, как на изображении ниже.
На основании этого графика можно сделать вывод, что при постоянном давлении объем газа всегда прямо пропорционален абсолютной температуре. Если абсолютная температура газа увеличивается, объем также увеличивается; и наоборот, если абсолютная температура газа уменьшается, объем также уменьшается. Это соотношение известно как закон Шарля. Математически он записывается следующим образом:
Объём пропорционален температуре при постоянном давлении.
V ∝ T → P константа
Закон Шарля также можно записать следующим образом:
Смысл уравнения 1 заключается в том, что при постоянном давлении (P), если абсолютная температура (T) газа изменяется, объем (V) газа также изменяется, так что результат сравнения абсолютной температуры и объема всегда остается постоянным. Если абсолютная температура газа увеличивается, объем газа также увеличивается, или наоборот, если абсолютная температура газа уменьшается, объем газа также уменьшается, так что результат сравнения температуры и объема всегда остается постоянным. Под абсолютной температурой газа понимается температура газа, выраженная по шкале Кельвина. Если температура по-прежнему находится в шкале Цельсия, то сначала переведите ее в шкалу Кельвина.
Закон Гей-Люссака
Жозеф Гей-Люссак (1778–1850) провел эксперимент и обнаружил, что если объем газа остается постоянным, то с увеличением давления газа абсолютная температура газа также увеличивается. И наоборот, с уменьшением давления газа абсолютная температура газа также уменьшается. При постоянном объеме давление газа прямо пропорционально абсолютной температуре газа. Это соотношение называется законом Гей-Люссака. Математически:
Давление пропорционально температуре → Постоянный объем
P ∝ T → V постоянная
Закон Гей-Люссака также можно записать следующим образом:
Смысл уравнения 1 заключается в том, что при постоянном объеме (V), если давление (P) газа изменяется, абсолютная температура (T) газа также изменяется, так что результат сравнения давления и абсолютной температуры остается постоянным. Другими словами, если давление газа увеличивается, абсолютная температура газа также увеличивается, или, наоборот, если давление газа уменьшается, абсолютная температура газа также уменьшается, так что результат сравнения давления и температуры всегда остается постоянным.
Под абсолютной температурой газа понимается температура газа, выраженная в шкале Кельвина. Если температура по-прежнему выражена в шкале Цельсия, то сначала переведите её в шкалу Кельвина.
Важно отметить, что законы Бойля, Шарля и Гей-Люссака дают точные результаты, если давление и плотность газа не слишком высоки. Кроме того, эти три закона применимы только к газам, температура которых не близка к точке кипения.
Исходя из этого, можно заключить, что законы Бойля, Шарля и Гей-Люссака не применимы ко всем газовым условиям. Поскольку они не применимы ко всем реальным газовым условиям, нам необходимо понятие идеального газа. Такой идеальный газ не существует в повседневной жизни. Идеальный газ — это лишь идеальная модель, подобная понятиям твердого тела и идеальной жидкости. Поэтому мы предполагаем, что три вышеупомянутых газовых закона применимы ко всем идеальным газовым условиям.
При решении задач, связанных с газовыми законами, температуру необходимо выражать по шкале Кельвина. Если давление газа по-прежнему является измерительным, сначала переведите его в абсолютное давление. Абсолютное давление = атмосферное давление + барометрическое давлениеr.
