Boyleov zákon, Charlesov zákon a G. Lussacov zákon
Boyleov zákon
Robert Boyle (1627–1691) vykonával experimenty na skúmanie kvantitatívneho vzťahu medzi tlakom plynu a objemom. Tento experiment zahŕňal umiestnenie určitého množstva plynu do uzavretej nádoby. S pomerne dobrou aproximáciou zistil, že ak sa teplota plynu udržiava konštantná, potom sa so zvyšujúcim sa tlakom plynu objem plynu znižuje. Podobne, keď sa tlak plynu znižuje, objem plynu sa zvyšuje. Tlak plynu je nepriamo úmerný objemu plynu. Tento vzťah je známy ako Boyleov zákonMatematicky:
Boyleov zákon možno zapísať aj ako:
PV = konštanta → rovnica 1
P1 V1 = P2 V2 → rovnica 2
Význam rovnice 1 je taký, že pri konštantnej teplote (T), ak sa mení tlak (P) plynu, mení sa aj objem (V) plynu, takže súčin tlaku a objemu je vždy konštantný. Ak sa tlak plynu zvyšuje, objem plynu sa znižuje alebo naopak, ak sa tlak plynu znižuje, objem plynu sa zvyšuje, takže súčin tlaku a objemu je vždy konštantný.
Graf znázorňujúci vzťah medzi objemom a tlakom vyzerá takto. Robert Boyle na základe svojich experimentov zistil, že objem plynu sa mení nepravidelne, čo spôsobuje, že čiara na grafe sa javí ako zakrivená. Tlak zobrazený na grafe je absolútny tlak, nie premerný tlak.
Charlesov zákon
Sto rokov po tom, čo Robert Boyle objavil vzťah medzi objemom a tlakom, francúzsky vedec Jacques Charles (1746 – 1823) skúmal vzťah medzi teplotou a objemom plynu. Na základe svojich experimentov zistil, že ak tlak plynu zostáva konštantný, potom so zvyšujúcou sa teplotou plynu sa zvyšuje aj objem. Naopak, so znižujúcou sa teplotou plynu sa objem tiež znižuje.
Zmeny objemu plynu v dôsledku zmien teploty sa vyskytujú pravidelne, takže čiara na tomto grafe sa javí ako rovná. Ak by bola čiara na grafe nakreslená pri nižších teplotách, pretínala by os približne pri -273 °C. oC.
Na základe mnohých vykonaných experimentov sa zistilo, že hoci je veľkosť zmeny objemu pre každý plyn odlišná, keď je čiara na grafe V-T nakreslená pri nižšej teplote, čiara vždy pretína os okolo -273. oC. Môžeme povedať, že ak sa plyn ochladí na -273 oC potom objem plynu = 0. Ak sa plyn opäť ochladí, kým teplota neklesne pod -273 oC potom bude objem plynu záporný, čo je nemožné.
Takže ‐273 oC je najnižšia dosiahnuteľná teplota. Pretože priamka pretína os okolo -273 oC potom sa podľa vzájomnej dohody zistilo, že najnižšia dosiahnuteľná teplota je -273,15 oC. -273,15 o°C sa nazýva absolútna nula a používa sa ako referencia pre absolútnu stupnicu, známu aj ako Kelvinova stupnica. Kelvin je pomenovaný po lordovi Kelvinovi (1824 – 1907), britskom fyzikovi. Na tejto stupnici sa teplota vyjadruje v Kelvinoch (K), nie v stupňoch Kelvina (oK). Vzdialenosť medzi stupňami je rovnaká ako na Celziovej stupnici. 0 K = -273,15 oC a 273,15 K = 0 oC.
Teplotu v Celziových stupniciach možno previesť na Kelvinovu stupnicu pripočítaním 273,15, teplotu v Kelvinovej stupnici možno previesť na Celziovu stupnicu odčítaním 273,15. Matematicky:
T(K) = T(oC) + 273,15
T (oC) = T (K) - 273,15
Informácie:
T = Teplota
K = Kelvin
C = Celzius
Ak je teplota vyjadrená v Kelvinovej stupnici, potom bude graf vyššie vyzerať ako na obrázku nižšie.
Na základe tohto grafu možno usudzovať, že pri konštantnom tlaku je objem plynu vždy priamo úmerný absolútnej teplote. Ak sa absolútna teplota plynu zvyšuje, zvyšuje sa aj objem; naopak, ak sa absolútna teplota plynu znižuje, znižuje sa aj objem. Tento vzťah je známy ako Charlesov zákon. Matematicky sa zapisuje takto:
Objem ∝ Teplota → Konštantný tlak
V ∝ T → P konštanta
Charlesov zákon možno zapísať aj takto:
Význam rovnice 1 je taký, že pri konštantnom tlaku (P), ak sa mení absolútna teplota (T) plynu, mení sa aj objem (V) plynu, takže výsledok porovnania medzi absolútnou teplotou a objemom je vždy konštantný. Ak sa absolútna teplota plynu zvyšuje, objem plynu sa tiež zvyšuje, alebo naopak, ak sa absolútna teplota plynu znižuje, objem plynu sa tiež znižuje, takže porovnanie medzi teplotou a objemom je vždy konštantné. Absolútnou teplotou plynu sa rozumie teplota plynu vyjadrená na Kelvinovej stupnici. Ak je teplota stále na Celziovej stupnici, najprv ju prepočítajte na Kelvinovu stupnicu.
Gay-Lussacov zákon
Joseph Gay-Lussac (1778 – 1850) vykonal experiment a zistil, že ak sa objem plynu udržiava konštantný, so zvyšujúcim sa tlakom plynu sa zvyšuje aj absolútna teplota plynu. Naopak, so znižujúcim sa tlakom plynu sa znižuje aj absolútna teplota plynu. Pri konštantnom objeme je tlak plynu priamo úmerný absolútnej teplote plynu. Tento vzťah sa nazýva Gay-Lussacov zákon. Matematicky:
Tlak ∝ Teplota → Konštantný objem
P ∝ T → V konštanta
Gay-Lussacov zákon možno zapísať aj takto:
Význam rovnice 1 je taký, že pri konštantnom objeme (V), ak sa mení tlak (P) plynu, mení sa aj absolútna teplota (T) plynu, takže výsledok porovnania medzi tlakom a absolútnou teplotou je konštantný. Inými slovami, ak sa tlak plynu zvyšuje, zvyšuje sa aj absolútna teplota plynu, alebo naopak, ak sa tlak plynu znižuje, znižuje sa aj absolútna teplota plynu, takže porovnanie medzi tlakom a teplotou je vždy konštantné.
Absolútna teplota plynu je teplota plynu vyjadrená na Kelvinovej stupnici. Ak je teplota stále na Celziovej stupnici, najprv ju prepočítajte na Kelvinovu stupnicu.
Je dôležité poznamenať, že Boyleov zákon, Charlesov zákon a Gay-Lussacov zákon poskytujú presné výsledky, ak tlak a hustota plynu nie sú príliš vysoké. Okrem toho tieto tri zákony platia iba pre plyny, ktorých teploty nie sú blízko ich bodu varu.
Na základe tejto skutočnosti možno vyvodiť záver, že Boyleov zákon, Charlesov zákon a Gay-Lussacov zákon nemožno aplikovať na všetky plynné podmienky. Keďže ich nemožno aplikovať na všetky reálne plynné podmienky, potrebujeme koncept ideálneho plynu alebo dokonalého plynu. Tento ideálny plyn v každodennom živote neexistuje. Ideálny plyn je iba ideálny model, podobný konceptom tuhého telesa a ideálnej tekutiny. Preto predpokladáme, že tri vyššie uvedené plynové zákony platia za všetkých ideálnych plynných podmienok.
Pri riešení úloh o plynoch sa musí teplota vyjadriť v Kelvinovej stupnici. Ak je tlak plynu stále meraným tlakom, najprv ho prepočítajte na absolútny tlak. Absolútny tlak = atmosférický tlak + barometrický tlakr.
