Članek Boyleov zakon, Charlesov zakon, Gay-Lussacov zakon
Boyleov zakon
Robert Boyle (1627–1691) je izvajal poskuse za raziskovanje kvantitativnega razmerja med tlakom plina in prostornino. Ta poskus se izvede tako, da se v zaprto posodo vstavi določena količina plina. Dokler ni našel dokaj dobrega pristopa, 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 zakon. Matematično:
Boyleov zakon lahko zapišemo tudi:
PV = konstanta → enačba 1
P1V1 = P2V2 → enačba 2
Pomen enačbe 1 je, da se pri konstantni temperaturi (T) s spremembo tlaka (P) plina spremeni tudi prostornina (V) plina,
tako da so rezultati množenja med tlakom in prostornino vedno konstantni. Če se tlak plina poveča, se prostornina plina zmanjša ali obratno, če se tlak plina zmanjša, se prostornina plina poveča, zato je množenje med tlakom in prostornino vedno konstantno.
Graf, ki prikazuje razmerje med prostornino in tlakom, je videti kot na spodnji sliki. Robert Boyle je na podlagi rezultatov poskusa ugotovil, da se prostornina plina spreminja nepravilno, tako da so črte na grafu videti ukrivljene. Tlak, prikazan na grafu, je absolutni tlak.
Charlesov zakon
Sto let po tem, ko je Robert Boyle odkril razmerje med prostornino in tlakom, je francoski znanstvenik Jacques Charles (1746–1823) raziskoval razmerje med temperaturo in prostornino plina. Na podlagi rezultatov poskusa je ugotovil, da se prostornina plina poveča, ko je tlak plina vedno konstanten, ko se temperatura plina poveča. Nasprotno pa se prostornina plina zmanjša, ko se temperatura plina zmanjša.
Spremembe prostornine plina zaradi sprememb temperature se pojavljajo redno, tako da so črte na tem grafu videti ravne. Če so črte na grafu prikazane, dokler temperatura ni nižja, bo črta presekala os okoli -273 ° C.
Na podlagi številnih izvedenih poskusov je bilo ugotovljeno, da se velikost spremembe prostornine vsakega plina razlikuje,
Ko so črte na VT diagramu narisane proti nižji temperaturi, črta vedno seka os okoli -273 ° C. Lahko rečemo, da če se plin ohladi na -273 ° C, je volumen plina = 0. Če se plin ponovno ohladi, dokler temperatura ne pade pod -273 ° C, bo volumen plina negativen, kar je nemogoče.
Torej -273 oC je najnižja temperatura, ki jo je mogoče doseči. Ker črta seka os okoli -273 oC V skladu z dogovorom je določeno, da je najnižja temperatura, ki jo je mogoče doseči, -273.15 oC. -273.15 oC se imenuje absolutna ničla temperatura in se uporablja kot referenca absolutne lestvice, znana tudi kot Kelvinova lestvica. Kelvin je ime lorda Kelvina (1824–1907), britanskega fizika. Na tej lestvici je temperatura izražena v Kelvinih (K), ne v Kelvinih (oK) stopinj. Razdalja med stopinjami je enaka kot v Celzijevi lestvici. 0 K = -273.15 oC in 273.15 K = 0 oC.
Temperaturo na Celzijevi lestvici lahko pretvorimo v Kelvinovo lestvico tako, da k njej prištejemo 273.15, temperaturo na Kelvinovi lestvici pa v Celzijevo lestvico tako, da k njej zmanjšamo 273.15. Matematično:
T(K) = T( ° C) + 273.15
T ( ° C) = T (K) – 273.15
T = Temperatura
K = Kelvin
C = Celzij
Če je temperatura izražena na Kelvinovi lestvici, bo zgornji grafikon videti kot na spodnji sliki.
Na podlagi tega grafa lahko sklepamo, da je pri fiksnem tlaku volumen plina vedno neposredno sorazmeren z absolutno temperaturo plina. Če se absolutna temperatura plina poveča, se poveča tudi volumen plina, nasprotno pa, če se absolutna temperatura plina zmanjša, se zmanjša tudi volumen plina. To razmerje je znano kot Charlesov zakon. Matematično:
Prostornina α Temperatura → Konstantni tlak
V α T → P konstanta
Pomen enačbe 1 je, da se pri konstantnem tlaku (P) ob spremembi absolutne temperature (T) spremeni tudi volumen (V) plina, tako da je razmerje med absolutno temperaturo in volumnom vedno konstantno. Če se absolutna temperatura plina poveča, se poveča tudi volumen plina ali obratno, če se absolutna temperatura plina zmanjša,
Zmanjša se tudi prostornina plina, zato je razmerje med temperaturo in prostornino vedno konstantno. Absolutna temperatura plina je temperatura plina, ki je navedena na Kelvinovi lestvici. Če je temperatura še vedno v Celzijevi lestvici, jo najprej spremenimo v Kelvinovo lestvico.
Gay-Lussacov zakon
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) je s poskusi ugotovil, da se ob konstantni prostornini plina absolutna temperatura plina poveča, ko se tlak plina poveča. Podobno se absolutna temperatura plina zmanjša, ko se tlak plina zmanjša. Pri konstantni prostornini je tlak plina neposredno sorazmeren z absolutno temperaturo plina. Ta zveza se imenuje Gay-Lussacov zakon. Matematično:
Tlak α Temperatura → Konstantna prostornina
P α T → V je konstanta
Pomen enačbe 1 je, da se pri konstantni prostornini (V) s spremembo tlaka (P) plina spremeni tudi absolutna temperatura (T) plina, tako da je razmerje med tlakom in absolutno temperaturo konstantno. Z drugimi besedami, če se tlak plina poveča, se poveča tudi absolutna temperatura plina ali obratno, če se tlak plina zmanjša,
Absolutna temperatura plina se prav tako zmanjša, tako da je razmerje med tlakom in temperaturo vedno konstantno.
Absolutna temperatura plina je temperatura plina, ki je navedena na Kelvinovi lestvici. Če je temperatura še vedno v Celzijevi lestvici, jo najprej spremenite v Kelvinovo lestvico.
Vljudno upoštevajte, da Boyleov zakon, Charlesov zakon in Gay-Lussacov zakon dajejo natančne rezultate, kadar tlak in gostota plina nista prevelika. Poleg tega vsi trije zakoni veljajo le za plin, katerega temperatura ni blizu vrelišča.
Na podlagi tega dejstva lahko sklepamo, da Boyleovega zakona, Charlesovega zakona in Gay-Lussacovega zakona ni mogoče uporabiti za vse plinske pogoje. Ker se ne morejo nanašati na vse dejanske plinske pogoje, potrebujemo koncept idealnega plina. Ta idealni plin v vsakdanjem življenju ne obstaja. Idealni plin je le idealen model, podoben konceptu idealnega togega in tekočega plina. Zato predpostavljamo, da zgornji trije plinski zakoni veljajo za vse idealne plinske pogoje.
Pri reševanju problemov s plinskimi zakoni moramo temperaturo navesti v Kelvinovi lestvici. Če je tlak plina še vedno v obliki merilnega tlaka, ga najprej spremenimo v absolutni tlak. Absolutni tlak = atmosferski tlak + merilni tlak
