Статья: Закон Бойля, закон Шарля, закон Гей-Люссака
Закон Бойля
Роберт Бойль (1627-1691) проводил эксперименты для исследования количественной зависимости между давлением газа и его объемом. Этот эксперимент проводился путем помещения определенного количества газа в закрытый контейнер. Достигнув достаточно точного результата, 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 Бойля. Математически:
Закон Бойля также можно записать следующим образом:
PV = константа → уравнение 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → уравнение 2
Смысл уравнения 1 заключается в том, что при постоянной температуре (T) если давление (P) газа изменяется, то и объем (V) газа также изменяется.
Таким образом, результат умножения давления на объем всегда остается постоянным. Если давление газа увеличивается, объем газа уменьшается, или наоборот, если давление газа уменьшается, объем газа увеличивается, поэтому результат умножения давления на объем всегда остается постоянным.
График, отображающий зависимость объема от давления, выглядит так, как показано на рисунке ниже. На основе результатов эксперимента Роберт Бойль обнаружил, что объем газа изменяется неравномерно, поэтому линии на графике выглядят изогнутыми. Давление, изображенное на графике, — это абсолютное давление.
Закон Чарльза
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 результатов эксперимента он обнаружил, что при постоянном давлении газа объем газа также увеличивается при повышении его температуры. И наоборот, при понижении температуры газа объем газа также уменьшается.
Изменения объема газа, вызванные изменениями температуры, происходят регулярно, поэтому линии на этом графике выглядят прямыми. Если линии на графике изображены до тех пор, пока температура не станет ниже, то линия пересечет ось примерно в районе -273 ° C.
На основе многочисленных проведенных экспериментов было установлено, что, хотя величина изменения объема каждого газа различается,
Когда линии на графике VT проводятся до более низкой температуры, линия всегда пересекает ось примерно в районе -273 ° C. Можно сказать, что если газ охладить до -273 ° C, то объем газа равен 0. Если газ охладить еще раз до температуры ниже -273 ° C, то объем газа станет отрицательным, что невозможно.
Итак, -273 oC — это самая низкая температура, которая может быть достигнута. Потому что линия пересекает ось примерно в точке -273°. oВ соответствии с соглашением установлено, что минимальная достижимая температура составляет -273.15°C. oC. -273.15 oТемпература C называется абсолютным нулем и используется в качестве абсолютной шкалы отсчета, также известной как шкала Кельвина. Кельвин — это имя лорда Кельвина (1824–1907), британского физика. В этой шкале температура выражается в Кельвинах (K), а не в Кельвинах (oК) градусов. Расстояние между градусами такое же, как и в 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 — в шкалу Цельсия, вычитая 273.15. Математически:
T (K) = T ( o C) + 273.15
T ( ° C) = T (K) – 273.15
Т = температура
К = Кельвин
С = Цельсий
Если температура выражена по шкале Кельвина, то приведенная выше диаграмма будет выглядеть так, как показано на рисунке ниже.
На основании этого графика можно сделать вывод, что при постоянном давлении объем газа всегда прямо пропорционален абсолютной температуре газа. Если абсолютная температура газа увеличивается, объем газа также увеличивается; наоборот, если абсолютная температура газа уменьшается, объем газа также уменьшается. Эта зависимость известна как закон Шарля. Математически:
Объем α Температура → Постоянное давление
V α T → P константа
Смысл уравнения 1 заключается в том, что при постоянном давлении (P) если изменяется абсолютная температура (T), то и объем (V) газа также изменяется, так что отношение абсолютной температуры к объему всегда остается постоянным. Если абсолютная температура газа увеличивается, объем газа также увеличивается, или наоборот, если абсолютная температура газа уменьшается.
Объем газа также уменьшается, поэтому соотношение между температурой и объемом всегда остается постоянным. Абсолютная температура газа — это температура газа, выраженная по шкале Кельвина. Если температура все еще 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 при увеличении давления газа абсолютная температура газа повышается. Аналогично, при уменьшении давления газа абсолютная температура газа понижается. При постоянном объеме давление газа прямо пропорционально абсолютной температуре газа. Это соотношение называется законом Гей-Люссака. Математически:
Давление α Температура → Постоянный объем
P α T → V является постоянной
Смысл уравнения 1 заключается в том, что при постоянном объеме (V) при изменении давления (P) газа изменяется и абсолютная температура (T) газа, так что отношение давления к абсолютной температуре остается постоянным. Другими словами, если давление газа увеличивается, абсолютная температура газа также увеличивается, или наоборот, если давление газа уменьшается.
Абсолютная температура газа также понижается, так что отношение давления к температуре всегда остается постоянным.
Абсолютная температура газа — это температура газа, выраженная по шкале Кельвина. Если температура по-прежнему выражена по шкале Цельсия, то сначала переведите её в шкалу Кельвина.
Обратите внимание, что законы Бойля, Шарля и Гей-Люссака дают точные результаты, когда давление и плотность газа не слишком велики. Кроме того, все три закона применимы только к газу, температура которого 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 могут относиться ко всем реальным газовым условиям, нам необходима концепция идеального газа. Идеальный газ не существует в повседневной жизни. Идеальный газ — это всего лишь идеальная модель, подобная концепции идеального твердого вещества и жидкости. Поэтому мы предполагаем, что три вышеупомянутых газовых закона применимы ко всем идеальным газовым условиям.
При решении задач, описывающих газовые законы, температуру необходимо указывать по шкале Кельвина. Если давление газа по-прежнему выражено в виде измеренного давления, сначала переведите его в абсолютное давление. Абсолютное давление = атмосферное давление + измеренное давление
