Makala Sheria ya Boyle, Sheria ya Charles, Sheria ya Gay-Lussac
Sheria ya Boyle
Robert Boyle (1627-1691) alifanya majaribio ili kuchunguza uhusiano wa kiasi kati ya shinikizo la gesi na ujazo. Jaribio hili linafanywa kwa kuingiza kiasi fulani cha gesi kwenye chombo kilichofungwa. Hadi mbinu nzuri, aligundua kwamba ikiwa halijoto ya gesi ingedumishwa sawa, basi shinikizo la gesi lilipoongezeka, ujazo wa gesi ulipunguzwa. Vile vile, shinikizo la gesi linapopungua, ujazo wa gesi huongezeka. Shinikizo la gesi ni kinyume chake na ujazo wa gesi. Uhusiano huu unajulikana kama Sheria ya Boyle. Kihisabati:
Sheria ya Boyle inaweza pia kuandikwa:
PV = thabiti → mlinganyo 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → mlinganyo 2
Maana ya mlinganyo wa 1 iko kwenye halijoto isiyobadilika (T) ikiwa shinikizo (P) la gesi litabadilika basi ujazo (V) wa gesi pia hubadilika,
ili matokeo ya kuzidisha kati ya shinikizo na ujazo yawe sawa kila wakati. Ikiwa shinikizo la gesi litaongezeka, ujazo wa gesi utapungua au kinyume chake ikiwa shinikizo la gesi litapungua, ujazo wa gesi utaongezeka, kwa hivyo kuzidisha kati ya shinikizo na ujazo kutabaki sawa kila wakati.
Grafu inayoelezea uhusiano kati ya ujazo na shinikizo inaonekana kama kwenye picha iliyo hapa chini. Kulingana na matokeo ya jaribio, Robert Boyle aligundua kuwa ujazo wa gesi hubadilika kwa njia isiyo ya kawaida ili mistari kwenye grafu ionekane imepinda. Shinikizo linaloonyeshwa kwenye grafu ni shinikizo kamili.
Sheria ya Charles
Miaka mia moja baada ya Robert Boyle kugundua uhusiano kati ya ujazo na shinikizo, mwanasayansi Mfaransa anayeitwa Jacques Charles (1746-1823) alichunguza uhusiano kati ya halijoto na ujazo wa gesi. Kulingana na matokeo ya jaribio hilo, aligundua kwamba shinikizo la gesi linapokuwa thabiti kila wakati, basi joto la gesi linapoongezeka, ujazo wa gesi pia huongezeka. Kinyume chake, joto la gesi linapopungua, ujazo wa gesi pia hupungua.
Mabadiliko katika ujazo wa gesi kutokana na mabadiliko ya halijoto hutokea mara kwa mara ili mistari kwenye grafu hii ionekane sawa. Ikiwa mistari kwenye grafu imeonyeshwa hadi halijoto iwe chini, basi mstari utakata mhimili karibu -273 o C.
Kulingana na majaribio mengi ambayo yamefanywa, ilibainika kuwa ingawa ukubwa wa mabadiliko katika ujazo wa kila gesi hutofautiana,
Wakati mistari kwenye chati ya VT inapochorwa kwenye halijoto ya chini, mstari hukata mhimili kuzunguka -273 o C. Tunaweza kusema kwamba ikiwa gesi imepozwa hadi -273 o C basi ujazo wa gesi = 0. Ikiwa gesi imepozwa tena hadi halijoto iwe chini ya -273 o C basi ujazo wa gesi utakuwa hasi, jambo ambalo haliwezekani.
Kwa hivyo -273 oC ni halijoto ya chini kabisa inayoweza kupatikana. Kwa sababu mstari huingiliana na mhimili kuzunguka -273 oC kulingana na makubaliano, imebainika kuwa halijoto ya chini kabisa inayoweza kupatikana ni -273.15 oC. -273.15 oC inaitwa halijoto sifuri kabisa na hutumika kama marejeleo ya mizani kamili, ambayo pia huitwa kipimo cha Kelvin. Kelvin ni jina la Lord Kelvin (1824-1907), mwanafizikia Mwingereza. Katika kipimo hiki, halijoto huonyeshwa katika Kelvin (K), si Kelvin (oK) digrii. Umbali kati ya digrii ni sawa na katika kipimo cha sentigredi. 0 K = -273.15 oC na 273.15 K = 0 oC.
Halijoto kwenye kipimo cha Selisiasi inaweza kubadilishwa kuwa kipimo cha Kelvin kwa kuongeza 273.15, halijoto kwenye kipimo cha Kelvin inaweza kubadilishwa kuwa kipimo cha Selisiasi kwa kupunguza 273.15. Kihisabati:
T (K) = T ( o C) + 273.15
T ( o C) = T ( K) – 273.15
T = Halijoto
K = Kelvin
C = Selisiasi
Ikiwa halijoto imeonyeshwa kwenye kipimo cha Kelvin, chati hapo juu itaonekana kama picha iliyo hapa chini.
Kulingana na grafu hii, inaweza kuhitimishwa kwamba kwa shinikizo lisilobadilika, ujazo wa gesi huwa sawia moja kwa moja na halijoto kamili ya gesi. Ikiwa halijoto kamili ya gesi itaongezeka, ujazo wa gesi pia huongezeka, kinyume chake, ikiwa halijoto kamili ya gesi itapungua, ujazo wa gesi pia hupungua. Uhusiano huu unajulikana kama sheria ya Charles. Kihisabati:
Kiasi α Joto → Shinikizo la mara kwa mara
V α T → P kigezo
Maana ya mlinganyo wa 1 iko kwenye shinikizo lisilobadilika (P) ikiwa halijoto kamili (T) itabadilika basi ujazo (V) wa gesi pia hugeuka ili uwiano kati ya halijoto kamili na ujazo uwe thabiti kila wakati. Ikiwa halijoto kamili ya gesi itaongezeka, ujazo wa gesi pia utaongezeka au kinyume chake ikiwa halijoto kamili ya gesi itapungua,
ujazo wa gesi pia hupungua, kwa hivyo uwiano kati ya halijoto na ujazo huwa sawa kila wakati. Halijoto kamili ya gesi ni halijoto ya gesi, ambayo imetajwa kwenye kipimo cha Kelvin. Ikiwa halijoto bado iko kwenye kipimo cha Selisiasi, basi ibadilishe kwanza hadi kipimo cha Kelvin.
Sheria ya Gay-Lussac
Joseph Gay-Lussac (1778-1850) alijaribu na kugundua kwamba ikiwa ujazo wa gesi umewekwa sawa, shinikizo la gesi linapoongezeka, halijoto kamili ya gesi huongezeka. Vile vile, shinikizo la gesi linapopungua, halijoto kamili ya gesi hupungua. Kwa ujazo thabiti, shinikizo la gesi linalingana moja kwa moja na halijoto kamili ya gesi. Uhusiano huu unaitwa Sheria ya Gay-Lussac. Kihisabati:
Shinikizo α Joto → Kiasi kisichobadilika
P α T → V ni thabiti
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 uwiano kati ya shinikizo na halijoto kamili uwe 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, hivyo uwiano kati ya shinikizo na halijoto huwa sawa kila wakati.
Joto kamili la gesi ni joto la gesi, ambalo limetajwa kwenye kipimo cha Kelvin. Ikiwa halijoto bado iko kwenye kipimo cha Selisiasi, basi ibadilishe kwanza hadi kwenye kipimo cha Kelvin.
Tafadhali kumbuka kwamba sheria ya Boyle, sheria ya Charles, na sheria ya Gay-Lussac hutoa matokeo sahihi wakati shinikizo na msongamano wa gesi si muhimu sana. Zaidi ya hayo, sheria hizo tatu pia zinatumika tu kwa gesi ambayo halijoto yake haiko karibu na 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 haiwezi kurejelea hali zote halisi za gesi, tunahitaji dhana ya Gesi Bora. Gesi hii bora haipo katika maisha ya kila siku. Gesi bora ni mfano bora tu, sawa na dhana bora ya ugumu na umajimaji. Kwa hivyo, tunadhani sheria tatu za gesi hapo juu zinatumika katika hali zote bora za gesi.
Katika kutatua matatizo ya sheria ya gesi, halijoto lazima ielezwe kwa kipimo cha Kelvin. Ikiwa shinikizo la gesi bado liko katika mfumo wa shinikizo la kupimia, libadilishe kwanza kuwa shinikizo kamili. Shinikizo kamili = shinikizo la angahewa + shinikizo la kupimia
