Boyle Yasası, Charles Yasası ve G. Lussac Yasası
Boyle Yasası
Robert Boyle (1627–1691) gaz basıncı ve hacmi arasındaki nicel ilişkiyi araştırmak için deneyler yaptı. Bu deney, belirli bir miktarda gazı kapalı bir kaba yerleştirmeyi içeriyordu. Oldukça iyi bir yaklaşımla, gazın sıcaklığı sabit tutulduğunda, gaz basıncı arttıkça gaz hacminin azaldığını keşfetti. Benzer şekilde, gaz basıncı azaldığında gaz hacmi artar. Gaz basıncı, gaz hacmiyle ters orantılıdır. Bu ilişki şu şekilde bilinir: Boyle YasasıMatematiksel olarak:
Boyle yasası şu şekilde de yazılabilir:
PV = sabit → denklem 1
P1 V1 = P2 V2 → denklem 2
Denklem 1'in anlamı şudur: Sabit bir sıcaklıkta (T), gazın basıncı (P) değişirse, gazın hacmi (V) de değişir, öyle ki basınç ve hacmin çarpımı her zaman sabit kalır. Gaz basıncı artarsa, gaz hacmi azalır veya tam tersi, gaz basıncı azalırsa, gaz hacmi artar, böylece basınç ve hacmin çarpımı her zaman sabit kalır.
Hacim ve basınç arasındaki ilişkiyi gösteren bir grafik aşağıdaki gibidir. Robert Boyle, deneylerine dayanarak gaz hacminin düzensiz bir şekilde değiştiğini ve bu nedenle grafikteki çizginin eğri göründüğünü keşfetti. Grafikte gösterilen basınç, mutlak basınçtır, gösterge basıncı değildir.
Charles'ın Yasası
Robert Boyle'un hacim ve basınç arasındaki ilişkiyi keşfetmesinden yüz yıl sonra, Fransız bilim insanı Jacques Charles (1746–1823), sıcaklık ve gaz hacmi arasındaki ilişkiyi araştırdı. Deneylerine dayanarak, gaz basıncı sabit kalırsa, gazın sıcaklığı arttıkça hacminin de arttığını keşfetti. Tersine, gazın sıcaklığı azaldıkça hacmi de azalır.
Sıcaklık değişimlerine bağlı olarak gaz hacmindeki değişiklikler düzenli olarak meydana gelir, bu nedenle bu grafikteki çizgi düz görünmektedir. Grafikteki çizgi daha düşük sıcaklıklarda çizilmiş olsaydı, ekseni yaklaşık -273°C'de keserdi. oC.
Gerçekleştirilen birçok deneye dayanarak, her gaz için hacimdeki değişimin büyüklüğü farklı olsa da, V-T grafiğindeki çizgi daha düşük bir sıcaklıkta çizildiğinde, çizginin ekseni her zaman yaklaşık -273°C'de kestiği bulunmuştur. oC. Gazın -273'e kadar soğutulması durumunda şunu söyleyebiliriz ki oC ise gaz hacmi = 0'dır. Gaz, sıcaklık -273'ün altına düşene kadar tekrar soğutulursa oC şıkkı doğruysa, gazın hacmi negatif olur ki bu imkansızdır.
Yani -273 oC, ulaşılabilecek en düşük sıcaklıktır. Çünkü çizgi ekseni yaklaşık -273'te kesiyor. oDaha sonra karşılıklı anlaşmaya göre, elde edilebilecek en düşük sıcaklığın -273,15 olduğu belirlendi. oC. ‐273,15 oSantigrat dereceye mutlak sıfır sıcaklığı denir ve Kelvin ölçeği olarak da bilinen mutlak ölçek için referans olarak kullanılır. Kelvin, İngiliz fizikçi Lord Kelvin'in (1824–1907) adından gelmektedir. Bu ölçekte sıcaklık Kelvin (K) cinsinden ifade edilir, Kelvin derecesi (°C) cinsinden değil.oK). Dereceler arasındaki mesafe, Celsius ölçeğindekiyle aynıdır. 0 K = ‐273,15 oC ve 273,15 K = 0 oC.
Santigrat cinsinden sıcaklık, Kelvin cinsinden sıcaklığa 273,15 eklenerek; Kelvin cinsinden sıcaklık ise Santigrat cinsinden sıcaklığa 273,15 çıkarılarak dönüştürülebilir. Matematiksel olarak:
T (K) = T (oC) + 273,15
T (oC) = T (K) ‐ 273,15
Bilgi:
T = Sıcaklık
K = Kelvin
C = Santigrat
Sıcaklık Kelvin cinsinden ifade edilirse, yukarıdaki grafik aşağıdaki resme benzeyecektir.
Bu grafiğe dayanarak, sabit basınçta gaz hacminin her zaman mutlak sıcaklıkla doğru orantılı olduğu sonucuna varılabilir. Bir gazın mutlak sıcaklığı artarsa, hacmi de artar; tersine, bir gazın mutlak sıcaklığı azalırsa, hacmi de azalır. Bu ilişki Charles yasası olarak bilinir. Matematiksel olarak şu şekilde yazılır:
Hacim ∝ Sıcaklık → Sabit basınç
V ∝ T → P sabit
Charles yasası şu şekilde de yazılabilir:
Denklem 1'in anlamı şudur: Sabit basınçta (P), gazın mutlak sıcaklığı (T) değişirse, gazın hacmi (V) de değişir, böylece mutlak sıcaklık ve hacim arasındaki karşılaştırma sonucu her zaman sabit kalır. Gazın mutlak sıcaklığı artarsa, gazın hacmi de artar veya tam tersi, gazın mutlak sıcaklığı azalırsa, gazın hacmi de azalır, böylece sıcaklık ve hacim arasındaki karşılaştırma sonucu her zaman sabit kalır. Gazın mutlak sıcaklığı, Kelvin ölçeğinde ifade edilen gazın sıcaklığıdır. Sıcaklık hala Celsius ölçeğindeyse, önce Kelvin ölçeğine çevirin.
Gay-Lussac Yasası
Joseph Gay-Lussac (1778–1850) bir deney yaparak, bir gazın hacmi sabit tutulduğunda, gaz basıncı arttıkça gazın mutlak sıcaklığının da arttığını keşfetti. Tersine, gaz basıncı azaldıkça gazın mutlak sıcaklığı da azalır. Sabit hacimde, gaz basıncı gazın mutlak sıcaklığıyla doğru orantılıdır. Bu ilişkiye Gay-Lussac Yasası denir. Matematiksel olarak:
Basınç ∝ Sıcaklık → Sabit hacim
P ∝ T → V sabit
Gay-Lussac yasası şu şekilde de yazılabilir:
Denklem 1'in anlamı şudur: Sabit hacimde (V), gazın basıncı (P) değişirse, gazın mutlak sıcaklığı (T) da değişir, böylece basınç ve mutlak sıcaklık arasındaki karşılaştırma sonucu sabit kalır. Başka bir deyişle, gaz basıncı artarsa, gazın mutlak sıcaklığı da artar veya tersine, gaz basıncı azalırsa, gazın mutlak sıcaklığı da azalır, böylece basınç ve sıcaklık arasındaki karşılaştırma her zaman sabit kalır.
Bir gazın mutlak sıcaklığı, Kelvin ölçeğinde ifade edilen gazın sıcaklığıdır. Eğer sıcaklık hala Celsius ölçeğindeyse, önce Kelvin ölçeğine çevirmeniz gerekir.
Şunu belirtmek önemlidir ki, Boyle yasası, Charles yasası ve Gay-Lussac yasası, gaz basıncı ve yoğunluğu çok yüksek olmadığında doğru sonuçlar verir. Dahası, bu üç yasa yalnızca sıcaklıkları kaynama noktasına yakın olmayan gazlar için geçerlidir.
Bu gerçeğe dayanarak, Boyle yasası, Charles yasası ve Gay-Lussac yasasının tüm gaz koşullarına uygulanamayacağı sonucuna varılabilir. Tüm gerçek gaz koşullarına uygulanamadıkları için, ideal gaz veya mükemmel gaz kavramına ihtiyacımız vardır. Bu ideal gaz günlük hayatta mevcut değildir. İdeal gaz, tıpkı katı cisim ve ideal akışkan kavramları gibi, sadece ideal bir modeldir. Bu nedenle, yukarıdaki üç gaz yasasının tüm ideal gaz koşulları altında geçerli olduğunu varsayıyoruz.
Gaz kanunları problemlerini çözerken, sıcaklık Kelvin ölçeğinde ifade edilmelidir. Gaz basıncı hala bir ölçüm basıncı ise, önce mutlak basınca dönüştürülmelidir. Mutlak basınç = atmosfer basıncı + barometrik basınçr.
