Boyles lag, Charles lag och G. Lussacs lag
Boyles lag
Robert Boyle (1627–1691) utförde experiment för att undersöka det kvantitativa sambandet mellan gastryck och volym. Detta experiment innebar att en specifik mängd gas placerades i en sluten behållare. Med en ganska god approximation upptäckte han att om gasens temperatur hålls konstant, så minskar gasvolymen när gastrycket ökar. Omvänt, när gastrycket minskar, ökar gasvolymen. Gastrycket är omvänt proportionellt mot gasvolymen. Detta samband är känt som Boyles lag . Matematiskt sett:
Boyles lag kan också skrivas som:
PV = konstant → ekvation 1
P1V1 = P2V2 → ekvation 2
Betydelsen av ekvation 1 är att vid en konstant temperatur (T), om gasens tryck (P) förändras, förändras även gasens volym (V) så att produkten av tryck och volym alltid är konstant. Om gastrycket ökar minskar gasvolymen eller vice versa, om gastrycket minskar ökar gasvolymen, så att produkten av tryck och volym alltid är konstant.
Ett diagram som visar förhållandet mellan volym och tryck ser ut som det nedan. Baserat på sina experiment upptäckte Robert Boyle att gasvolymen förändras oregelbundet, vilket gör att linjen i diagrammet ser böjd ut. Trycket som visas i diagrammet är absolut tryck, inte övertryck.
Charles lag
Hundra år efter att Robert Boyle upptäckte sambandet mellan volym och tryck undersökte den franske vetenskapsmannen Jacques Charles (1746–1823) sambandet mellan temperatur och gasvolym. Baserat på sina experiment upptäckte han att om gastrycket förblir konstant, så ökar även volymen när gasens temperatur ökar. Omvänt, när gasens temperatur minskar, minskar även volymen.
Förändringar i gasvolymen på grund av temperaturförändringar sker regelbundet, så linjen i denna graf ser rak ut. Om linjen i grafen ritades vid lägre temperaturer skulle den skära axeln vid cirka -273 ° C.
Baserat på många experiment som har utförts, har man funnit att även om storleken på volymförändringen för varje gas är olika, så skär linjen på V-T-grafen alltid axeln runt -273 ° C när den ritas mot en lägre temperatur. Vi kan säga att om gasen kyls till -273 ° C är gasens volym = 0. Om gasen kyls igen tills dess temperatur är under -273 ° C, kommer gasens volym att ha ett negativt värde, något som är omöjligt.
Så ‐273 oC är den lägsta temperaturen som kan uppnås. Eftersom linjen skär axeln vid cirka -273 oC, sedan enligt ömsesidig överenskommelse, fastställdes att den lägsta temperatur som kunde uppnås var -273,15 oC. ‐273,15 oC kallas absoluta nollpunktstemperaturen och används som referens för den absoluta skalan, även känd som Kelvinskalan. Kelvin är uppkallad efter Lord Kelvin (1824–1907), en brittisk fysiker. På denna skala uttrycks temperaturen i Kelvin (K), inte grader Kelvin (oK). Avståndet mellan graderna är detsamma som på Celsiusskalan. 0 K = -273,15 oC och 273,15 K = 0 oC.
Temperaturen i Celsius kan omvandlas till Kelvin-skala genom att lägga till 273,15, temperaturen i Kelvin-skala kan omvandlas till Celsius-skala genom att subtrahera 273,15. Matematiskt:
T(K) = T( oC ) + 273,15
T ( oC ) = T(K) ‐ 273,15
Sammanfattning:
T = Temperatur
K = Kelvin
C = Celsius
Om temperaturen uttrycks i Kelvin-skalan kommer grafen ovan att se ut som bilden nedan.
Baserat på denna graf kan man dra slutsatsen att vid konstant tryck är gasvolymen alltid direkt proportionell mot den absoluta temperaturen. Om en gas absoluta temperatur ökar ökar även volymen; omvänt, om en gas absoluta temperatur minskar, minskar även volymen. Detta samband kallas Charles lag. Matematiskt skrivs det enligt följande:
Volym ∝ Temperatur → Konstant tryck
V ∝ T → P konstant
Charles lag kan också skrivas så här:
Betydelsen av ekvation 1 är att vid konstant tryck (P), om gasens absoluta temperatur (T) förändras, förändras även gasens volym (V) så att jämförelseresultatet mellan absolut temperatur och volym alltid är konstant. Om gasens absoluta temperatur ökar, ökar även gasens volym, eller vice versa, om gasens absoluta temperatur minskar, minskar även gasens volym, så att resultatet av jämförelsen mellan temperatur och volym alltid är konstant. Med en gass absoluta temperatur menas gasens temperatur uttryckt på Kelvinskalan. Om temperaturen fortfarande är på Celsiusskalan, omvandla den först till Kelvinskalan.
Gay-Lussacs lag
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) utförde ett experiment och upptäckte att om en gas volym hålls konstant, så ökar även gasens absoluta temperatur när gastrycket ökar. Omvänt, när gastrycket minskar, minskar även gasens absoluta temperatur. Vid konstant volym är gastrycket direkt proportionellt mot gasens absoluta temperatur. Detta samband kallas Gay-Lussacs lag. Matematiskt sett:
Tryck ∝ Temperatur → Konstant volym
P ∝ T → V konstant
Gay-Lussacs lag kan också skrivas så här:
Betydelsen av ekvation 1 är att vid konstant volym (V), om gasens tryck (P) ändras, ändras även gasens absoluta temperatur (T) så att jämförelseresultatet mellan tryck och absolut temperatur är konstant. Med andra ord, om gastrycket ökar, ökar även gasens absoluta temperatur, eller omvänt, om gastrycket minskar, minskar även gasens absoluta temperatur, så att jämförelsen mellan tryck och temperatur alltid är konstant.
Med en gas absoluta temperatur avses gasens temperatur uttryckt på Kelvinskalan. Om temperaturen fortfarande är på Celsiusskalan, omvandla den först till Kelvinskalan.
Det är viktigt att notera att Boyles lag, Charles lag och Gay-Lussacs lag ger korrekta resultat om gastrycket och densiteten inte är för höga. Dessutom gäller dessa tre lagar endast gaser vars temperatur inte är nära deras kokpunkt.
Baserat på detta faktum kan man dra slutsatsen att Boyles lag, Charles lag och Gay-Lussacs lag inte kan tillämpas på alla gasförhållanden. Eftersom de inte kan tillämpas på alla verkliga gasförhållanden behöver vi konceptet med en ideal gas, eller en perfekt gas. Denna ideala gas existerar inte i vardagen. En ideal gas är bara en idealmodell, liknande koncepten med en stel kropp och en ideal fluid. Därför antar vi att de tre gaslagarna ovan gäller under alla ideala gasförhållanden.
Vid lösning av gasproblem måste temperaturen uttryckas på Kelvinskalan. Om gastrycket fortfarande är ett mättryck, omvandla det först till absolut tryck. Absolut tryck = atmosfärstryck + övertryck r.
