波義耳定律、查理定律和呂薩克定律

波義耳定律、查理定律和呂薩克定律

波義耳定律

Robert Boyle (1627‐1691) melakukan eksperimen untuk menyelidiki hubungan kuantitatif antara tekanan dan volume gas. Percobaan ini dilakukan dengan memasukkan sejumlah gas tertentu ke dalam sebuah wadah tertutup. Sampai pendekatan yang cukup baik, Ia menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas bertambah. Tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan 波義耳定律從數學角度來看：

波義耳定律也可以寫成：

PV = 常數 → 方程式 1

P₁V₁ = _P₂V₂ →方程式₂

公式 1 的意思是：在溫度 (T) 恆定的情況下，如果氣體的壓力 (P) 發生變化，氣體的體積 (V) 也會發生變化，使得壓力和體積的乘積始終保持不變。如果氣體壓力增大，氣體體積減小；反之亦然，如果氣體壓力減小，氣體體積增大，因此壓力和體積的乘積始終保持不變。

下圖所示為體積與壓力關係圖。羅伯特·波義耳透過實驗發現，氣體體積變化不規則，導致圖中的曲線呈現彎曲狀。圖中所示的壓力是絕對壓力，而非表壓。

查理定律

在羅伯特·波義耳發現體積與壓力關係一百年後，法國科學家雅克·查爾斯（1746-1823）研究了溫度與氣體體積的關係。基於他的實驗，他發現，在氣體壓力不變的情況下，隨著氣體溫度升高，氣體體積也隨之增加；反之，隨著氣體溫度降低，氣體體積也隨之減少。

由於溫度變化引起的氣體體積變化是規律性的，因此圖中的曲線看起來是直線。如果將圖中的曲線繪製在較低的溫度下，它將與座標軸相交於大約 -273 ^° C。

基於大量實驗，我們發現，雖然每種氣體的體積變化幅度不同，但當V-T圖上的曲線向低溫方向延伸時，該曲線總是與座標軸相交於約-273 ^℃。我們可以說，如果將氣體冷卻至-273 ^℃，則氣體的體積為0。如果再次冷卻氣體直到溫度低於-273 ^℃，則氣體的體積將為負值，這顯然是不可能的。

所以 -273 ^oC 是可達到的最低溫度。因為這條線與軸線的交點大約在 -273 處。 ^oC 然後，根據雙方協商一致，確定可達到的最低溫度為 -273,15 ^oC. ‐273,15 ^o攝氏度稱為絕對零度，是絕對溫標（也稱為開爾文溫標）的參考溫度。開爾文以英國物理學家開爾文勳爵（1824–1907）的名字命名。在這個溫標中，溫度以開爾文 (K) 表示，而不是攝氏 (°C)。^oK）。度數之間的距離與攝氏度相同。 0 K = -273,15 ^oC 和 273,15 K = 0 ^oC.

攝氏溫度可以透過加上 273,15 轉換為開爾文溫度，開爾文溫度可以透過減去 273,15 轉換為攝氏溫度。數學表達式為：

T (K) = T ( ^o C) + 273,15

T ( ^o C) = T (K) ‐ 273,15

備註：

T = 溫度

K = 開爾文

C = 攝氏度

如果溫度以開爾文溫標表示，則上面的圖表將如下圖所示。

根據這張圖，我們可以得出結論：在恆壓下，氣體的體積總是與絕對溫度成正比。如果氣體的絕對溫度升高，體積也增加；反之，如果氣體的絕對溫度降低，體積也減少。這種關係被稱為查理定律。其數學表達式如下：

體積 ∝ 溫度 → 恆壓

V ∝ T → P 常數

查理定律也可以這樣寫：

公式1的意思是，在恆壓(P)下，如果氣體的絕對溫度(T)發生變化，氣體的體積(V)也會發生變化，因此絕對溫度與體積的比值始終保持不變。如果氣體的絕對溫度升高，氣體的體積也增加；反之亦然，如果氣體的絕對溫度降低，氣體的體積也減小，因此溫度與體積的比值始終保持不變。氣體的絕對溫度是指以開爾文溫標表示的氣體溫度。如果溫度仍然是攝氏溫標，則需要先將其轉換為開爾文溫標。

蓋-呂薩克定律

約瑟夫·蓋-呂薩克（1778–1850）進行了一項實驗，發現如果氣體的體積保持不變，隨著氣體壓力的增加，氣體的絕對溫度也會升高。反之，隨著氣體壓力的降低，氣體的絕對溫度也會降低。在體積恆定的情況下，氣體壓力與氣體的絕對溫度成正比。這種關係稱為蓋-呂薩克定律。數學表達式為：

壓力 ∝ 溫度 → 恆定體積

P ∝ T → V 常數

蓋-呂薩克定律也可以這樣寫：

等式1的意思是，在體積(V)恆定的情況下，如果氣體的壓力(P)發生變化，氣體的絕對溫度(T)也會發生變化，因此壓力與絕對溫度的比值保持不變。換句話說，如果氣體壓力升高，氣體的絕對溫度也會升高；反之，如果氣體壓力降低，氣體的絕對溫度也會降低，因此壓力與溫度的比值始終保持不變。

氣體的絕對溫度是指以開爾文溫標表示的氣體溫度。如果溫度仍然是攝氏溫標，則需要先將其轉換為開爾文溫標。

需要注意的是，玻意耳定律、查理定律和蓋-呂薩克定律只有在氣體壓力和密度不太高的情況下才能給出準確的結果。此外，這三條定律僅適用於溫度遠未接近沸點的氣體。

基於此，我們可以得出結論：玻意耳定律、查理定律和蓋-呂薩克定律並非適用於所有氣體條件。由於它們無法適用於所有實際氣體條件，我們需要引入理想氣體或完美氣體的概念。理想氣體在日常生活中並不存在。理想氣體只是一種理想模型，類似剛體和理想流體的概念。因此，我們假設上述三個氣體定律在所有理想氣體條件下都適用。

在解氣體定律問題時，溫度必須以開爾文溫標表示。如果氣體壓力仍然是測量壓力，則首先將其轉換為絕對壓力。絕對壓力 = 大氣壓力 + 表壓r。