Sheria ya Boyle, Sheria ya Charles na Sheria ya G. Lussac
Sheria ya Boyle
Robert Boyle (1627–1691) alifanya majaribio ya kuchunguza uhusiano wa kiasi kati ya shinikizo la gesi na ujazo. Jaribio hili lilihusisha kuweka kiasi fulani cha gesi kwenye chombo kilichofungwa. Kwa makadirio mazuri, aligundua kwamba ikiwa halijoto ya gesi itabaki sawa, basi shinikizo la gesi linapoongezeka, ujazo wa gesi hupungua. Vile vile, shinikizo la gesi linapopungua, ujazo wa gesi huongezeka. Shinikizo la gesi ni kinyume na ujazo wa gesi. Uhusiano huu unajulikana kama Sheria ya BoyleKihisabati:
Sheria ya Boyle inaweza pia kuandikwa kama:
PV = thabiti → mlinganyo 1
P1 V1 = P2 V2 → mlinganyo 2
Maana ya mlinganyo wa 1 ni kwamba katika halijoto isiyobadilika (T), ikiwa shinikizo (P) la gesi linabadilika, ujazo (V) wa gesi pia hubadilika ili bidhaa ya shinikizo na ujazo iwe thabiti kila wakati. Ikiwa shinikizo la gesi linaongezeka, ujazo wa gesi hupungua au kinyume chake, ikiwa shinikizo la gesi linapungua, ujazo wa gesi huongezeka, ili bidhaa ya shinikizo na ujazo iwe thabiti kila wakati.
Grafu inayoonyesha uhusiano kati ya ujazo na shinikizo inaonekana kama ile iliyo hapa chini. Kulingana na majaribio yake, Robert Boyle aligundua kuwa ujazo wa gesi hubadilika kwa njia isiyo ya kawaida, na kusababisha mstari kwenye grafu kuonekana umepinda. Shinikizo linaloonyeshwa kwenye grafu ni shinikizo kamili, si shinikizo la kipimo.
Sheria ya Charles
Miaka mia moja baada ya Robert Boyle kugundua uhusiano kati ya ujazo na shinikizo, mwanasayansi Mfaransa Jacques Charles (1746–1823) alichunguza uhusiano kati ya halijoto na ujazo wa gesi. Kulingana na majaribio yake, aligundua kwamba ikiwa shinikizo la gesi linabaki sawa, basi kadri halijoto ya gesi inavyoongezeka, ujazo pia huongezeka. Kinyume chake, kadri halijoto ya gesi inavyopungua, ujazo pia hupungua.
Mabadiliko katika ujazo wa gesi kutokana na mabadiliko ya halijoto hutokea mara kwa mara, kwa hivyo mstari kwenye grafu hii unaonekana mnyoofu. Ikiwa mstari kwenye grafu ungechorwa kwa halijoto ya chini, ungevuka mhimili kwa takriban -273°C. oC.
Kulingana na majaribio mengi ambayo yamefanywa, iligundulika kuwa ingawa ukubwa wa mabadiliko ya ujazo kwa kila gesi ni tofauti, wakati mstari kwenye grafu ya V-T unapochorwa kwa halijoto ya chini, mstari huo hukata mhimili kwa karibu -273 oC. Tunaweza kusema kwamba ikiwa gesi itapozwa hadi ‐273 oC basi ujazo wa gesi = 0. Ikiwa gesi itapoa tena hadi halijoto iwe chini ya -273 oC basi ujazo wa gesi utakuwa hasi, jambo ambalo haliwezekani.
Kwa hivyo -273 oC ni halijoto ya chini kabisa inayoweza kufikiwa. Kwa sababu mstari huingiliana na mhimili karibu ‐273 oC basi kulingana na makubaliano ya pande zote mbili, ilibainika kuwa halijoto ya chini kabisa ambayo ingeweza kupatikana ilikuwa -273,15 oC. ‐273,15 oC inaitwa halijoto sifuri kabisa na hutumika kama marejeleo ya kiwango kamili, pia kinachojulikana kama kipimo cha Kelvin. Kelvin amepewa jina la Lord Kelvin (1824–1907), mwanafizikia Mwingereza. Katika kipimo hiki, halijoto huonyeshwa katika Kelvin (K), si digrii Kelvin (oK). Umbali kati ya digrii ni sawa na kwenye kipimo cha Selisiasi. 0 K = ‐273,15 oC na 273,15 K = 0 oC.
Halijoto katika kipimo cha Selisiyusi inaweza kubadilishwa kuwa kipimo cha Kelvin kwa kuongeza 273,15, halijoto katika kipimo cha Kelvin inaweza kubadilishwa kuwa kipimo cha Selisiyusi kwa kutoa 273,15. Kihisabati:
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) - 273,15
Taarifa:
T = Halijoto
K = Kelvin
C = Selisiasi
Ikiwa halijoto imeonyeshwa kwa kipimo cha Kelvin basi grafu hapo juu itaonekana kama picha iliyo hapa chini.
Kulingana na grafu hii, inaweza kuhitimishwa kwamba kwa shinikizo la mara kwa mara, ujazo wa gesi huwa sawia moja kwa moja na halijoto kamili. Ikiwa halijoto kamili ya gesi inaongezeka, ujazo pia huongezeka; kinyume chake, ikiwa halijoto kamili ya gesi inapungua, ujazo pia hupungua. Uhusiano huu unajulikana kama sheria ya Charles. Kihisabati, imeandikwa kama ifuatavyo:
Kiasi ∝ Joto → Shinikizo la mara kwa mara
V ∝ T → P kigezo
Sheria ya Charles inaweza pia kuandikwa hivi:
Maana ya mlinganyo wa 1 ni kwamba kwa shinikizo lisilobadilika (P), ikiwa halijoto kamili (T) ya gesi inabadilika, ujazo (V) wa gesi pia hubadilika ili matokeo ya kulinganisha kati ya halijoto kamili na ujazo yawe sawa kila wakati. Ikiwa halijoto kamili ya gesi inaongezeka, ujazo wa gesi pia huongezeka, au kinyume chake, ikiwa halijoto kamili ya gesi inapungua, ujazo wa gesi pia hupungua, ili matokeo ya kulinganisha kati ya halijoto na ujazo yawe sawa kila wakati. Kinachomaanishwa na halijoto kamili ya gesi ni halijoto ya gesi inayoonyeshwa kwenye kipimo cha Kelvin. Ikiwa halijoto bado iko kwenye kipimo cha Selisiasi, basi ibadilishe kuwa kipimo cha Kelvin kwanza.
Sheria ya Mashoga-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) alifanya jaribio na kugundua kwamba ikiwa ujazo wa gesi utabaki sawa, kadri shinikizo la gesi linavyoongezeka, halijoto kamili ya gesi pia huongezeka. Kinyume chake, kadri shinikizo la gesi linavyopungua, halijoto kamili ya gesi pia hupungua. Kwa ujazo usiobadilika, shinikizo la gesi linalingana moja kwa moja na halijoto kamili ya gesi. Uhusiano huu unaitwa Sheria ya Gay-Lussac. Kihisabati:
Shinikizo ∝ Joto → Kiasi kisichobadilika
P ∝ T → V kigezo thabiti
Sheria ya Gay-Lussac inaweza pia kuandikwa kama hii:
Maana ya mlinganyo wa 1 ni kwamba kwa ujazo usiobadilika (V), ikiwa shinikizo (P) la gesi linabadilika, halijoto kamili (T) ya gesi pia hubadilika ili matokeo ya ulinganisho kati ya shinikizo na halijoto kamili yawe thabiti. Kwa maneno mengine, ikiwa shinikizo la gesi linaongezeka, halijoto kamili ya gesi pia huongezeka, au kinyume chake, ikiwa shinikizo la gesi linapungua, halijoto kamili ya gesi pia hupungua, ili ulinganisho kati ya shinikizo na halijoto uwe thabiti kila wakati.
Kinachomaanishwa na halijoto kamili ya gesi ni halijoto ya gesi inayoonyeshwa kwenye kipimo cha Kelvin. Ikiwa halijoto bado iko kwenye kipimo cha Selisiasi, basi ibadilishe kuwa kipimo cha Kelvin kwanza.
Ni muhimu kutambua kwamba sheria ya Boyle, sheria ya Charles, na sheria ya Gay-Lussac hutoa matokeo sahihi ikiwa shinikizo na msongamano wa gesi si juu sana. Zaidi ya hayo, sheria hizi tatu zinatumika tu kwa gesi ambazo halijoto yake haifikii kiwango cha kuchemka.
Kulingana na ukweli huu, inaweza kuhitimishwa kwamba sheria ya Boyle, sheria ya Charles, na sheria ya Gay-Lussac haziwezi kutumika kwa hali zote za gesi. Kwa sababu haziwezi kutumika kwa hali zote halisi za gesi, tunahitaji dhana ya gesi bora, au gesi kamili. Gesi hii bora haipo katika maisha ya kila siku. Gesi bora ni mfano bora tu, sawa na dhana za mwili mgumu na umajimaji bora. Kwa hivyo, tunadhani sheria tatu za gesi hapo juu zinatumika chini ya hali zote bora za gesi.
Katika kutatua matatizo ya sheria ya gesi, halijoto lazima ielezwe kwenye kipimo cha Kelvin. Ikiwa shinikizo la gesi bado ni shinikizo la kupimia, libadilishe kuwa shinikizo kamili kwanza. Shinikizo kamili = shinikizo la angahewa + shinikizo la barometricr.
