బోయిల్ నియమం, చార్లెస్ నియమం మరియు జి. లుస్సాక్ నియమం
బోయిల్ నియమం
రాబర్ట్ బాయిల్ (1627–1691) వాయు పీడనానికి, ఘనపరిమాణానికి మధ్య ఉన్న పరిమాణాత్మక సంబంధాన్ని పరిశోధించడానికి ప్రయోగాలు నిర్వహించారు. ఈ ప్రయోగంలో భాగంగా, ఒక నిర్దిష్ట పరిమాణంలో వాయువును ఒక మూసివున్న పాత్రలో ఉంచారు. దాదాపు ఖచ్చితంగా, వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రతను స్థిరంగా ఉంచినప్పుడు, వాయు పీడనం పెరిగేకొద్దీ వాయు ఘనపరిమాణం తగ్గుతుందని ఆయన కనుగొన్నారు. దీనికి విరుద్ధంగా, వాయు పీడనం తగ్గేకొద్దీ వాయు ఘనపరిమాణం పెరుగుతుంది. వాయు పీడనం వాయు ఘనపరిమాణానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఈ సంబంధాన్ని బాయిల్ నియమం అని అంటారు . గణితశాస్త్రపరంగా:
బోయిల్ నియమాన్ని ఈ విధంగా కూడా వ్రాయవచ్చు:
PV = స్థిరాంకం → సమీకరణం 1
P 1 V 1 = P 2 V 2 → సమీకరణం 2
సమీకరణం 1 యొక్క అర్థం ఏమిటంటే, ఒక స్థిర ఉష్ణోగ్రత (T) వద్ద, వాయువు యొక్క పీడనం (P) మారితే, వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం (V) కూడా మారుతుంది, అందువల్ల పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం యొక్క లబ్ధం ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉంటుంది. వాయు పీడనం పెరిగితే, వాయు ఘనపరిమాణం తగ్గుతుంది లేదా దీనికి విరుద్ధంగా, వాయు పీడనం తగ్గితే, వాయు ఘనపరిమాణం పెరుగుతుంది, అందువల్ల పీడనం మరియు ఘనపరిమాణం యొక్క లబ్ధం ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉంటుంది.
ఘనపరిమాణం మరియు పీడనం మధ్య సంబంధాన్ని చూపించే గ్రాఫ్ క్రింది విధంగా ఉంటుంది. రాబర్ట్ బాయిల్ తన ప్రయోగాల ఆధారంగా, వాయువు ఘనపరిమాణం క్రమరహితంగా మారుతుందని కనుగొన్నాడు, దీనివల్ల గ్రాఫ్‌లోని గీత వక్రంగా కనిపిస్తుంది. గ్రాఫ్‌లో చూపిన పీడనం సంపూర్ణ పీడనం, గేజ్ పీడనం కాదు.
చార్లెస్ చట్టం
ఘనపరిమాణం మరియు పీడనం మధ్య సంబంధాన్ని రాబర్ట్ బాయిల్ కనుగొన్న వంద సంవత్సరాల తరువాత, ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త జాక్వెస్ చార్లెస్ (1746–1823) ఉష్ణోగ్రత మరియు వాయువు ఘనపరిమాణం మధ్య సంబంధాన్ని పరిశోధించారు. తన ప్రయోగాల ఆధారంగా, వాయువు పీడనం స్థిరంగా ఉన్నప్పుడు, వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత పెరిగే కొద్దీ దాని ఘనపరిమాణం కూడా పెరుగుతుందని ఆయన కనుగొన్నారు. దీనికి విరుద్ధంగా, వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత తగ్గే కొద్దీ, దాని ఘనపరిమాణం కూడా తగ్గుతుంది.
ఉష్ణోగ్రత మార్పుల కారణంగా వాయు పరిమాణంలో మార్పులు క్రమం తప్పకుండా సంభవిస్తాయి, కాబట్టి ఈ గ్రాఫ్‌లోని గీత నిటారుగా కనిపిస్తుంది. ఒకవేళ ఈ గ్రాఫ్‌లోని గీతను తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద గీసి ఉంటే, అది అక్షాన్ని సుమారుగా -273 ° C వద్ద ఖండించేది.
జరిపిన అనేక ప్రయోగాల ఆధారంగా, ప్రతి వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణంలో మార్పు పరిమాణం భిన్నంగా ఉన్నప్పటికీ, V-T గ్రాఫ్‌పై గీతను తక్కువ ఉష్ణోగ్రతకు గీసినప్పుడు, ఆ గీత ఎల్లప్పుడూ అక్షాన్ని సుమారుగా -273 ° C వద్ద ఖండిస్తుందని కనుగొనబడింది. వాయువును -273 ° C వరకు చల్లబరిస్తే , ఆ వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం = 0 అని మనం చెప్పవచ్చు. ఒకవేళ వాయువును దాని ఉష్ణోగ్రత -273 ° C కంటే తక్కువకు వచ్చే వరకు మళ్ళీ చల్లబరిస్తే, ఆ వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం రుణాత్మక విలువను కలిగి ఉంటుంది, ఇది అసాధ్యమైన విషయం.
కాబట్టి ‐273 oC అనేది చేరగల అత్యల్ప ఉష్ణోగ్రత. ఎందుకంటే ఆ రేఖ అక్షాన్ని సుమారుగా ‐273 వద్ద ఖండిస్తుంది. oఅప్పుడు పరస్పర ఒప్పందం ప్రకారం, సాధించగల అత్యల్ప ఉష్ణోగ్రత -273,15 C గా నిర్ణయించబడింది. oసి. ‐273,15 oC ని పరమ శూన్య ఉష్ణోగ్రత అంటారు మరియు దీనిని కెల్విన్ స్కేల్ అని కూడా పిలువబడే పరమ స్కేలుకు ఒక సూచనగా ఉపయోగిస్తారు. కెల్విన్‌కు బ్రిటిష్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త అయిన లార్డ్ కెల్విన్ (1824–1907) పేరు పెట్టారు. ఈ స్కేలులో, ఉష్ణోగ్రతను కెల్విన్ (K) లో వ్యక్తపరుస్తారు, డిగ్రీల కెల్విన్ (°C) లో కాదు.oK). డిగ్రీల మధ్య దూరం సెల్సియస్ స్కేలులో ఉన్నట్లే ఉంటుంది. 0 K = ‐273,15 oC మరియు 273,15 K = 0 oC.
సెల్సియస్ స్కేల్‌లోని ఉష్ణోగ్రతను 273,15 కలపడం ద్వారా కెల్విన్ స్కేల్‌లోకి మార్చవచ్చు, అలాగే కెల్విన్ స్కేల్‌లోని ఉష్ణోగ్రతను 273,15 తీసివేయడం ద్వారా సెల్సియస్ స్కేల్‌లోకి మార్చవచ్చు. గణితశాస్త్రపరంగా:
T (K) = T ( o C) + 273,15
T ( o C) = T (K) ‐ 273,15
సమాచారం :
T = ఉష్ణోగ్రత
K = కెల్విన్
C = సెల్సియస్
ఉష్ణోగ్రతను కెల్విన్ స్కేలులో వ్యక్తపరిస్తే, పైన ఉన్న గ్రాఫ్ క్రింది చిత్రంలో ఉన్నట్లుగా కనిపిస్తుంది.
ఈ గ్రాఫ్ ఆధారంగా, స్థిర పీడనం వద్ద వాయువు ఘనపరిమాణం ఎల్లప్పుడూ పరమ ఉష్ణోగ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుందని నిర్ధారించవచ్చు. ఒక వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే, దాని ఘనపరిమాణం కూడా పెరుగుతుంది; దీనికి విరుద్ధంగా, ఒక వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత తగ్గితే, దాని ఘనపరిమాణం కూడా తగ్గుతుంది. ఈ సంబంధాన్ని చార్లెస్ నియమం అంటారు. గణితశాస్త్రపరంగా దీనిని ఈ క్రింది విధంగా వ్రాస్తారు:
ఘనపరిమాణం ∝ ఉష్ణోగ్రత → స్థిర పీడనం
V ∝ T → P స్థిరాంకం
చార్లెస్ నియమాన్ని ఈ విధంగా కూడా వ్రాయవచ్చు:
సమీకరణం 1 యొక్క అర్థం ఏమిటంటే, స్థిర పీడనం (P) వద్ద, వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత (T) మారితే, వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం (V) కూడా మారుతుంది, తద్వారా పరమ ఉష్ణోగ్రత మరియు ఘనపరిమాణం మధ్య పోలిక ఫలితం ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉంటుంది. వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే, వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం కూడా పెరుగుతుంది, లేదా దీనికి విరుద్ధంగా, వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత తగ్గితే, వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణం కూడా తగ్గుతుంది, తద్వారా ఉష్ణోగ్రత మరియు ఘనపరిమాణం మధ్య పోలిక ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉంటుంది. వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత అంటే కెల్విన్ స్కేలులో వ్యక్తపరిచిన వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రత. ఒకవేళ ఉష్ణోగ్రత ఇంకా సెల్సియస్ స్కేలులో ఉంటే, ముందుగా దానిని కెల్విన్ స్కేలులోకి మార్చాలి.
గే-లుస్సాక్ చట్టం
జోసెఫ్ గే-లుసాక్ (1778–1850) ఒక ప్రయోగం చేసి, వాయువు యొక్క ఘనపరిమాణాన్ని స్థిరంగా ఉంచినప్పుడు, వాయు పీడనం పెరిగే కొద్దీ, ఆ వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత కూడా పెరుగుతుందని కనుగొన్నారు. దీనికి విరుద్ధంగా, వాయు పీడనం తగ్గే కొద్దీ, ఆ వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత కూడా తగ్గుతుంది. స్థిర ఘనపరిమాణం వద్ద, వాయు పీడనం, వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రతకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. ఈ సంబంధాన్ని గే-లుసాక్ నియమం అంటారు. గణితశాస్త్రపరంగా:
పీడనం ∝ ఉష్ణోగ్రత → స్థిర ఘనపరిమాణం
P ∝ T → V స్థిరాంకం
గే-లుస్సాక్ నియమాన్ని ఈ విధంగా కూడా వ్రాయవచ్చు:
సమీకరణం 1 యొక్క అర్థం ఏమిటంటే, స్థిర ఘనపరిమాణం (V) వద్ద, వాయువు యొక్క పీడనం (P) మారితే, వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత (T) కూడా మారుతుంది, తద్వారా పీడనం మరియు పరమ ఉష్ణోగ్రత మధ్య పోలిక ఫలితం స్థిరంగా ఉంటుంది. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, వాయువు పీడనం పెరిగితే, వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత కూడా పెరుగుతుంది, లేదా దీనికి విరుద్ధంగా, వాయువు పీడనం తగ్గితే, వాయువు యొక్క పరమ ఉష్ణోగ్రత కూడా తగ్గుతుంది, తద్వారా పీడనం మరియు ఉష్ణోగ్రత మధ్య పోలిక ఎల్లప్పుడూ స్థిరంగా ఉంటుంది.
వాయువు యొక్క సంపూర్ణ ఉష్ణోగ్రత అంటే, ఆ వాయువు యొక్క ఉష్ణోగ్రతను కెల్విన్ స్కేలులో వ్యక్తపరచడం. ఒకవేళ ఉష్ణోగ్రత ఇంకా సెల్సియస్ స్కేలులోనే ఉంటే, ముందుగా దానిని కెల్విన్ స్కేలులోకి మార్చండి.
వాయువు యొక్క పీడనం మరియు సాంద్రత మరీ ఎక్కువగా లేనప్పుడు బాయిల్ నియమం, చార్లెస్ నియమం మరియు గే-లుస్సాక్ నియమం ఖచ్చితమైన ఫలితాలను అందిస్తాయని గమనించడం ముఖ్యం. అంతేకాకుండా, ఈ మూడు నియమాలు వాటి మరుగు స్థానానికి దగ్గరగా లేని ఉష్ణోగ్రతలు గల వాయువులకు మాత్రమే వర్తిస్తాయి.
ఈ వాస్తవం ఆధారంగా, బాయిల్ నియమం, చార్లెస్ నియమం మరియు గే-లుసాక్ నియమం అన్ని వాయు పరిస్థితులకు వర్తించవని నిర్ధారించవచ్చు. అవి అన్ని వాస్తవ వాయు పరిస్థితులకు వర్తించవు కాబట్టి, మనకు ఆదర్శ వాయువు లేదా పరిపూర్ణ వాయువు అనే భావన అవసరం. ఈ ఆదర్శ వాయువు నిత్య జీవితంలో ఉనికిలో లేదు. దృఢ వస్తువు మరియు ఆదర్శ ద్రవం అనే భావనల వలె, ఆదర్శ వాయువు కూడా కేవలం ఒక ఆదర్శ నమూనా మాత్రమే. అందువల్ల, పైన పేర్కొన్న మూడు వాయు నియమాలు అన్ని ఆదర్శ వాయు పరిస్థితులలో వర్తిస్తాయని మనం భావిస్తాము.
వాయు నియమ సమస్యలను పరిష్కరించడంలో, ఉష్ణోగ్రతను కెల్విన్ స్కేలులో వ్యక్తపరచాలి. వాయు పీడనం ఇంకా కొలత పీడనంగా ఉంటే, ముందుగా దానిని సంపూర్ణ పీడనంగా మార్చండి. సంపూర్ణ పీడనం = వాతావరణ పీడనం + గేజ్ పీడనం r.
