Boyleov zakon, Charlesov zakon in G. Lussacov zakon
Boyleov zakon
Robert Boyle (1627–1691) je izvajal poskuse za raziskovanje kvantitativnega razmerja med tlakom plina in prostornino. Pri tem poskusu je v zaprto posodo namestil določeno količino plina. Z dokaj dobrim približkom je ugotovil, da se prostornina plina zmanjša, če se temperatura plina ohranja konstantna, ko se tlak plina poveča. Podobno se prostornina plina poveča, ko se tlak plina zmanjša. Tlak plina je obratno sorazmeren s prostornino plina. To razmerje je znano kot Boyleov zakonMatematično:
Boyleov zakon lahko zapišemo tudi kot:
PV = konstanta → enačba 1
P1 V1 = P2 V2 → enačba 2
Pomen enačbe 1 je, da se pri konstantni temperaturi (T) spremeni tudi volumen (V) plina, če se tlak (P) plina spremeni, tako da je produkt tlaka in volumna vedno konstanten. Če se tlak plina poveča, se volumen plina zmanjša ali obratno, če se tlak plina zmanjša, se volumen plina poveča, tako da je produkt tlaka in volumna vedno konstanten.
Graf, ki prikazuje razmerje med prostornino in tlakom, je videti kot spodnji. Robert Boyle je na podlagi svojih poskusov odkril, da se prostornina plina spreminja nepravilno, zaradi česar je črta na grafu videti ukrivljena. Tlak, prikazan na grafu, je absolutni tlak, ne manometerski tlak.
Charlesov zakon
Sto let po tem, ko je Robert Boyle odkril razmerje med volumnom in tlakom, je francoski znanstvenik Jacques Charles (1746–1823) raziskoval razmerje med temperaturo in volumnom plina. Na podlagi svojih poskusov je odkril, da če tlak plina ostane nespremenjen, se z naraščanjem temperature plina poveča tudi prostornina. Nasprotno pa se z zmanjševanjem temperature plina zmanjša tudi prostornina.
Spremembe prostornine plina zaradi temperaturnih sprememb se pojavljajo redno, zato je črta na tem grafu videti ravna. Če bi črto na grafu narisali pri nižjih temperaturah, bi sekala os pri približno -273 °C. oC.
Na podlagi številnih izvedenih poskusov je bilo ugotovljeno, da čeprav je velikost spremembe prostornine za vsak plin različna, ko je črta na grafu V-T narisana pri nižji temperaturi, črta vedno seka os pri približno -273. oC. Lahko rečemo, da če plin ohladimo na -273 oC, potem je prostornina plina = 0. Če plin ponovno ohladimo, dokler temperatura ne pade pod -273 oC, potem bo volumen plina negativen, kar je nemogoče.
Torej -273 oC je najnižja temperatura, ki jo je mogoče doseči. Ker premica seka os pri približno -273 oC, nato pa je bilo po medsebojnem dogovoru določeno, da je najnižja dosežena temperatura -273,15 oC. -273,15 oC se imenuje absolutna ničla temperatura in se uporablja kot referenca za absolutno lestvico, znano tudi kot Kelvinova lestvica. Kelvin je poimenovan po lordu Kelvinu (1824–1907), britanskem fiziku. Na tej lestvici je temperatura izražena v kelvinih (K), ne v stopinjah Kelvina (oK). Razdalja med stopinjami je enaka kot na Celzijevi lestvici. 0 K = -273,15 oC in 273,15 K = 0 oC.
Temperaturo v Celzijevi lestvici lahko pretvorimo v Kelvinovo lestvico tako, da k 273,15 prištejemo, temperaturo v Kelvinovi lestvici pa v Celzijevo lestvico tako, da k 273,15 odštejemo. Matematično:
T(K) = T(oC) + 273,15
T (oC) = T(K) - 273,15
Informacije:
T = Temperatura
K = Kelvin
C = Celzij
Če je temperatura izražena v Kelvinovi lestvici, bo zgornji graf videti kot na spodnji sliki.
Na podlagi tega grafa lahko sklepamo, da je pri konstantnem tlaku volumen plina vedno neposredno sorazmeren z absolutno temperaturo. Če se absolutna temperatura plina poveča, se poveča tudi volumen; obratno, če se absolutna temperatura plina zmanjša, se zmanjša tudi volumen. Ta odnos je znan kot Charlesov zakon. Matematično se zapiše takole:
Prostornina ∝ Temperatura → Konstantni tlak
V ∝ T → P konstanta
Charlesov zakon lahko zapišemo tudi takole:
Pomen enačbe 1 je, da se pri konstantnem tlaku (P) spremeni tudi volumen plina, če se spremeni absolutna temperatura (T) plina, tako da je primerjava med absolutno temperaturo in volumnom vedno konstantna. Če se absolutna temperatura plina poveča, se poveča tudi volumen plina, ali obratno, če se absolutna temperatura plina zmanjša, se zmanjša tudi volumen plina, tako da je primerjava med temperaturo in volumnom vedno konstantna. Z absolutno temperaturo plina se razume temperatura plina, izražena na Kelvinovi lestvici. Če je temperatura še vedno na Celzijevi lestvici, jo najprej pretvorimo v Kelvinovo lestvico.
Gay-Lussacov zakon
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) je izvedel poskus in ugotovil, da če se prostornina plina ohranja konstantna, se z naraščanjem tlaka plina poveča tudi absolutna temperatura plina. Nasprotno pa se z zmanjševanjem tlaka plina zmanjša tudi absolutna temperatura plina. Pri konstantni prostornini je tlak plina neposredno sorazmeren z absolutno temperaturo plina. To razmerje se imenuje Gay-Lussacov zakon. Matematično:
Tlak ∝ Temperatura → Konstantna prostornina
P ∝ T → V konstanta
Gay-Lussacov zakon lahko zapišemo tudi takole:
Pomen enačbe 1 je, da se pri konstantni prostornini (V) s spremembo tlaka (P) plina spremeni tudi absolutna temperatura (T) plina, tako da je rezultat primerjave med tlakom in absolutno temperaturo konstanten. Z drugimi besedami, če se tlak plina poveča, se poveča tudi absolutna temperatura plina, ali obratno, če se tlak plina zmanjša, se zmanjša tudi absolutna temperatura plina, tako da je primerjava med tlakom in temperaturo vedno konstantna.
Z absolutno temperaturo plina se razume temperatura plina, izražena na Kelvinovi lestvici. Če je temperatura še vedno na Celzijevi lestvici, jo najprej pretvorimo v Kelvinovo lestvico.
Pomembno je omeniti, da Boyleov zakon, Charlesov zakon in Gay-Lussacov zakon dajejo natančne rezultate, če tlak in gostota plina nista previsoka. Poleg tega ti trije zakoni veljajo le za pline, katerih temperature niso blizu njihovega vrelišča.
Na podlagi tega dejstva lahko sklepamo, da Boyleovega zakona, Charlesovega zakona in Gay-Lussacovega zakona ni mogoče uporabiti za vse plinske pogoje. Ker jih ni mogoče uporabiti za vse dejanske plinske pogoje, potrebujemo koncept idealnega plina oziroma popolnega plina. Ta idealni plin v vsakdanjem življenju ne obstaja. Idealni plin je le idealen model, podoben konceptom togega telesa in idealne tekočine. Zato predpostavljamo, da zgornji trije plinski zakoni veljajo za vse idealne plinske pogoje.
Pri reševanju problemov s plinskimi zakoni moramo temperaturo izraziti na Kelvinovi lestvici. Če je tlak plina še vedno merilni tlak, ga najprej pretvorimo v absolutni tlak. Absolutni tlak = atmosferski tlak + barometrični tlakr.
