Artikel Boyles lag, Charles lag, Gay-Lussacs lag
Boyles lag
Robert Boyle (1627-1691) utförde experiment för att undersöka det kvantitativa sambandet mellan gastryck och volym. Detta experiment utförs genom att en viss mängd gas införs i en sluten behållare. Fram till en ganska bra metod fann han att om gastemperaturen hölls konstant, så minskade gasvolymen när gastrycket ökade. Likaså, 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:
PV = konstant → ekvation 1
P1V1 = P2V2 → ekvation 2
Betydelsen av ekvation 1 är vid konstant temperatur (T) om gasens tryck (P) ändras så ändras även gasens volym (V),
så att resultaten av multiplikationen mellan tryck och volym alltid är konstanta. Om gastrycket ökar minskar gasvolymen eller vice versa, om gastrycket minskar ökar gasvolymen, så multiplikationen mellan tryck och volym är alltid konstant.
Grafen som visar förhållandet mellan volym och tryck ser ut som på bilden nedan. Baserat på resultaten av experimentet fann Robert Boyle att gasvolymen förändras oregelbundet så att linjerna i grafen ser böjda ut. Trycket som visas i grafen är absolut tryck.
Charles lag
Hundra år efter att Robert Boyle upptäckte sambandet mellan volym och tryck undersökte en fransk vetenskapsman vid namn Jacques Charles (1746-1823) sambandet mellan temperatur och gasvolym. Baserat på experimentets resultat fann han att när gastrycket alltid är konstant, så ökar även gasvolymen när gastemperaturen ökar. Omvänt, när gastemperaturen minskar, minskar även gasvolymen.
Förändringar i gasvolymen på grund av temperaturförändringar sker regelbundet så att linjerna i denna graf visas raka. Om linjerna i grafen avbildas tills temperaturen är lägre, kommer linjen att skära axeln runt -273 ° C.
Baserat på många experiment som har utförts, fann man att även om storleken på volymförändringen för varje gas varierar,
När linjerna på VT-diagrammet ritas mot en lägre temperatur skär linjen alltid axeln runt -273 ° C. Vi kan säga att om gasen kyls till -273 ° C så är gasvolymen = 0. Om gasen kyls igen tills temperaturen är under -273 ° C så blir gasvolymen negativ, något som är omöjligt.
Så -273 oC är den lägsta temperaturen som kan uppnås. Eftersom linjen skär axeln runt -273 oC enligt avtalet är det fastställt att den lägsta temperaturen som kan uppnås är -273.15 oC. -273.15 oC kallas absoluta nollpunktstemperaturen och används som en absolut skalreferens, även känd som Kelvinskalan. Kelvin är namnet på Lord Kelvin (1824-1907), brittisk fysiker. På denna skala uttrycks temperaturen i Kelvin (K), inte Kelvin (oK) grader. Avståndet mellan graderna är detsamma som på Celsiusskalan. 0 K = -273.15 oC och 273.15 K = 0 oC.
Temperaturen på Celsiusskalan kan omvandlas till en Kelvinskala genom att lägga till 273.15, temperaturen på Kelvinskalan kan omvandlas till en Celsiusskala genom att minska 273.15. Matematiskt:
T(K) = T( oC ) + 273.15
T ( oC ) = T(K) – 273.15
T = Temperatur
K = Kelvin
C = Celsius
Om temperaturen uttrycks på en Kelvinskala kommer diagrammet ovan att se ut som bilden nedan.
Baserat på denna graf kan man dra slutsatsen att vid ett fast tryck är gasvolymen alltid direkt proportionell mot gasens absoluta temperatur. Om gasens absoluta temperatur ökar ökar även gasvolymen, tvärtom, om gasens absoluta temperatur minskar minskar även gasvolymen. Detta samband kallas Charles lag. Matematiskt sett:
Volym α Temperatur → Konstant tryck
V α T → P konstant
Betydelsen av ekvation 1 är att vid konstant tryck (P) om den absoluta temperaturen (T) ändras så ändras även gasens volym (V) så att förhållandet 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.
Gasens volym minskar också, så förhållandet mellan temperatur och volym är alltid konstant. Gasens absoluta temperatur är gasens temperatur, som anges på Kelvinskalan. Om temperaturen fortfarande är i Celsiusskalan, ändra den då först till Kelvinskalan.
Gay-Lussacs lag
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) experimenterade och fann att om gasvolymen hålls konstant, så ökar gasens absoluta temperatur när gastrycket ökar. Likaså, när gastrycket minskar, minskar gasens absoluta temperatur. Vid konstant volym är gastrycket direkt proportionellt mot gasens absoluta temperatur. Detta förhållande kallas Gay-Lussacs lag. Matematiskt sett:
Tryck α Temperatur → Konstant volym
PαT → V är konstant
Betydelsen av ekvation 1 är att vid konstant volym (V) om gasens tryck (P) ändras, ändras även gasens absoluta temperatur (T) så att förhållandet mellan trycket och den absoluta temperaturen är konstant. Med andra ord, om gastrycket ökar, ökar även gasens absoluta temperatur, eller vice versa om gastrycket minskar.
gasens absoluta temperatur minskar också, så att förhållandet mellan tryck och temperatur alltid är konstant.
Gasens absoluta temperatur är gasens temperatur, vilken anges på Kelvinskalan. Om temperaturen fortfarande är på Celsiusskalan, ändra den först till Kelvinskalan.
Observera att Boyles lag, Charles lag och Gay-Lussacs lag ger korrekta resultat när gasens tryck och densitet inte är alltför betydande. Dessutom gäller de tre lagarna endast för gaser vars temperatur inte är nära kokpunkten.
Baserat på detta faktum kan man dra slutsatsen att Boyles lag, Charles lag och Gay-Lussacs lag inte kan tillämpas på alla gasförhållanden. Eftersom den inte kan hänvisa till alla verkliga gasförhållanden behöver vi idealgasbegreppet. Denna idealgas existerar inte i vardagen. Den ideala gasen är bara en idealmodell, liknande det ideala rigida och fluida konceptet. Så vi antar att de tre gaslagarna ovan gäller under alla ideala gasförhållanden.
Vid lösning av gasproblem måste temperaturen anges på en Kelvinskala. Om gastrycket fortfarande är i form av mättryck, ändra det först till absolut tryck. Absolut tryck = atmosfärstryck + mättryck
