Gaz Yasaları - Boyle , Charles , Gay-Lussac,Avogadro ,İdeal Gaz

Gaz yasaları, gazlardaki termodinamik sıcaklık (T), basınç (P) ve hacim (V) aralarındaki ilişkileri açıklayan bir takım kanundur Rönesans'ın geç dönemleriyle 19 yüzyıl arasındaki dönemde bulunmuş birkaç yasadan oluşur

İdeal gazlar

En baştaki gaz yasaları

Boyle yasası (1662),

Charles yasası (1787-1802)

Gay-Lussac yasası (1809)

birleşip, toplam gaz yasasını oluştururlar:

Daha sonra Avogadro yasasının da eklenmesiyle ideal gaz yasası oluşmuştur:

P paskal olarak basınç,

V kübik metre olarak hacim,

n gazın mol sayısı,

R gaz sabiti (83145 J/(mol K))

T de Kelvin olarak sıcaklıktır

(Yukardakiler SI birimleridir Yasa, her birimle çalışmaktadır, ancak gaz sabiti buna göre çevrilmeli ve sıcaklığın da mutlak sıfırda tam sıfır olduğu bir sistem kullanılmalıdır)

Diğer önemli gaz yasaları olan Dalton yasası, kinetik teori ve Graham yasası da gazların basınç, hacim ve sıcaklığa göre nasıl davrandıklarını açıklar

Bu yasaların tamı tamına geçerli olduğu tüm gazlara, ideal gaz denir İdeal bir gaz yoktur ancak bazı gazlar, bu yasalara daha çok uyabilir

Sıcaklığın sabit tutulduğu ortamda, basınç ve hacim arasındaki ilişkiyi gösteren bir animasyon

Boyle yasası

Boyle yasası (Bazen Boyle-Mariotte yasası veya Uçucu Gazların Sıvılaştırılması olarak da bilinir), gaz yasalarından biridir 1662'de İrlandalı doğa filozofu Robert Boyle (Lismore, County Waterford, 1627-1691) tarafından ilk defa basılmıştır Yasa, Richard Towneley ve Henry Power tarafından Boyle'ın önüne getirilmiş ve Boyle da deneyleri yapıp sonuçları basmıştır Robert Gunther ve bazı diğer otoritelere göre, deneyin aparatını hazırlayan Boyle'ın asistanı Robert Hooke, yasayı formülize eden insan olabilir Hooke'un matematik konusundaki becerileri Boyle'ı aşıyordu Hooke ayrıca, deneyler için gerekli olan vakum pompalarını da icat etmiştir Fransız fizikçi Edme Mariotte (1620-1684), Boyle'dan bağımsız olarak formülü 1676'da bulmuştur Bu nedenle de bu yasa, Mariotte ya da Mariotte-Boyle yasası olarak da isimlendirilebilir

Boyle yasasına göre, sıcaklıklar sabit tutulduğu sürece, belirli ölçüde alınan bir ideal gazın hacmiyle basıncının çarpımı sabittir Matematiksel bir anlatımla:

P paskal olarak basınç,
V kübik metre olarak hacim,
k gaz sabiti (83145 J/(mol K)

k sabitinin değeri, belirli miktarda alınmış gazların hacim ve basınç değerlerine göre yapılmıştır Sistemde bir değişiklik yaparak - ki bu genellikle gazı içinde bulunduran kabın hacminin değiştirilmesiyle yapılır - yeni hacim ve basınç ölçülmüştür Bu işlemlerin sonunda çıkan basınç ve hacmin çarpımı k sabitinin değeri olur Bu noktada tamamiyle doğru olmamakla beraber, V olan hacim arttırıldığında, sıcaklığın sabit tutulduğu göze alınırsa, P olan basınç da bu arttırılmaya oranla azalır Tam tersi de aynı şekilde geçerlidir; gazın hacmini düşürmek, basıncı arttırır

Boyle yasası, genellikle, sadece hacim ya da basınç anlamında yapılan bir değişikliğin sonuçlarını önceden tahmin etmek için kullanılır Belirli ölçüdeki herhangi bir gazın, sıcaklığın sabit tutulma şartıyla (bunun için soğutma ve ısıtma kullanılmalıdır), "önce" ve "sonraki" hacim-basınç ilişkisi aşağıdaki gibidir:

Bu denklem, genellikle herhangi bir (basınç ya da hacim) "sonra" öğesinin bulunması için kullanılır Örnek:

Boyle yasası, Charles yasası ve Gay-Lussac yasası, birlikte toplam gaz yasası'nı ortaya çıkarırlar Bu yasaya bir de Avogadro yasası'nın eklenmesi, ideal gaz yasasını ortaya çıkarır

Charles yasası

Charles yasası, gaz yasalarından biridir Bu yasaya göre, sabit basınçta, herhangi bir miktardaki ideal gazın hacminin azalıp çoğalması, aynı oranda sıcaklığının da azalıp çoğalmasını etkiler

Yasa, ilk defa, Joseph Louis Gay-Lussac tarafından 1802'de yayımlanmıştır Ancak bu yayımda, 1787'de yazılıp yayımlanmayan Jacques Charles'ın bir yapıtına referansta bulunmuştur Bu nedenle de, yasa, Charles'ın adıyla anılmaktadır Gazların arasındaki ilişki, 1702'de Guillaume Amontons tarafından da keşfedilmişti2011'de Emir Fe tarafından düzeltmelerle aşağıdaki son halini almıştır

Yasanın formülü:

V kübik metre olarak hacim,
k gaz sabiti (83145 J/(mol K))
T de Kelvin olarak sıcaklıktır

Bir gaz, sabit basınçta ısıtılırken, k sabitini elde etmek için hacim artmalıdır Aynı şekilde gaz, sabit basınçta soğutulurken, hacim azalmalıdır Sabitin tam değeri, yasanın kullanılabilmesi için gerekli değildir

Kısacası, sıcaklık artarsa basınç azalır

Charles yasası, aynı zamanda Charles ve Gay-Lussac yasası olarak da bilinir, çünkü Charles, Gay-Lussac'ın Gay-Lussac yasasını bularak elde ettiği sonuçlarını kullanarak yasayı bulmuştur Ancak yakın zamanlarda, Gay-Lussac'ın kendi yasasına adı verildiğinden, Charles yasası kullanımı artmıştır

Charles yasası, Boyle yasası ve Gay-Lussac yasası, birlikte toplam gaz yasası'nı ortaya çıkarırlar Bu yasaya bir de Avogadro yasası'nın eklenmesi, ideal gaz yasasını ortaya çıkarır

Gay-Lussac yasası

Gay-Lussac yasası, (toplam hacim yasası olarak da bilinir), Fransız kimyacı Joseph Louis Gay-Lussac'ın adıyla anılır Gay-Lussac'a mal edilen, iki tane gaz yasası vardır İkisi de aynı isimle anılırlarEn ünlü deneyi gazlarla yaptığı sıcaklık değişiminin inciler üzerindeki basınç değişimini dedesi Mark Lussac ile yapmıştır

Gay-Lussac yasasına göre, bir ideal gazın toplam hacminin, hacimlerinin çarpımına oranı küçük tam sayılar halinde gösterilebilir Bunu, Gay-Lussac 1809'da bulmuştur 1811'de ise Amedeo Avogadro, bu bulguları kullanarak Avogadro yasasını yaratmıştır

1802'de bulunan diğer yasa ise belirli bir miktardaki ideal gazın basıncının, kelvin birimiyle belirtilmiş sıcaklığına doğru orantılı olduğunu belirtir Matematiksel olarak, bu aşağıdaki gibi gösterilebilir:

P paskal olarak basınç,
k gaz sabiti (83145 J/(mol K)),
T de Kelvin olarak sıcaklıktır

Sıcaklık, bir maddenin ortalama kinetik enerjisi olduğu için sıcaklığının arttığında kinetik enerjisinin de arttığı söylenilebilir Bu durumda, gaz parçacıkları, gazın tutulduğu kabın duvarlarıyla daha çok çarpışacağından, daha çok basınç uygularlar

Aynı maddenin farklı durumlardaki hallerini karşılaştırmak için, yasa şu şekilde de yazılabilir:

Charles yasası, aynı zamanda Charles ve Gay-Lussac yasası olarak da bilinir, çünkü Charles, Gay-Lussac'ın sonuçlarını kullanarak yasayı bulmuştur Ancak yakın zamanlarda, Gay-Lussac'ın burdaki yasaya adını verdiğinden kullanımı azalmıştır

Gay-Lussac yasası, Boyle yasası ve Charles yasası, birlikte toplam gaz yasası'nı ortaya çıkarırlar Bu yasaya bir de Avogadro yasası'nın eklenmesi, ideal gaz yasasını ortaya çıkarır

Avogadro yasası (Avogadro hipotezi olarak da bilinir)
Amedeo Avogadro'nun 1811'de bulduğu bir gaz yasasıdır Bu yasa, eşit hacimdeki gazların; eşit sıcaklık ve eşit basınçta aynı sayıda parçacık ya da molekül sayısına sahip olduğunu öne sürer Buna göre, belirli bir hacimdeki gazın bulundurduğu molekül sayısı, gazın kütle ya da boyutundan bağımsızdır Örnek olarak, aynı hacimdeki hidrojen ve nitrojen verilebilir Buna göre, hidrojen de nitrojen de, aynı hacim, aynı basınç ve aynı sıcaklıkta aynı molekül sayısına sahiptir

Bu yasanın bir kısmı, matematiksel olarak şöyle gösterilebilir:

V kübik metre olarak hacim,
n gazın mol sayısı,
a da bir sabittir

Ancak yukardaki denklem, sadece homojen maddeler için geçerlidir Buna homojen sıvılar ve katılar da dahildir Bu ilişki bulunması kolay bir ilişkidir ki, nitekim Avogadro'dan önce de varsayılmıştır

Avogadro yasasının en önemli sonucu, yasanın ideal gaz sabitinin tüm gazlar için aynı olduğunu bulmasıdır

P paskal olarak basınç,
T de Kelvin olarak sıcaklıktır

Yukardaki denkleme göre, tüm gazlar için bu sabit eşittir Yani gazın boyutunun ya da kütlesinin bu sabitin değerini değiştirmez Bu Avogadro yasasının en önemli bölümünü oluşturmakla beraber, Avogadro'nun doğa görüşündeki dahiliği de gösterir Nitekim, bu yasayı, kinetik teori kullanarak kanıtlamak yıllar sürmüştür

Standart durumda, bir mol ideal gaz, 224 litre (dm3) yer kaplar Bu değer, genellikle molar hacim olarak kullanılır Gerçek gazlar, bu değere bire bir uymaz

Bir moldeki molekül sayısı olan Avogadro sayısı, yaklaşık olarak mol başına 602×1023 parçadır

Avogadro yasası, toplam gaz yasasını oluşturan Boyle yasası, Charles yasası ve Gay-Lussac yasasıyla birlikte ideal gaz yasasını oluşturur

İdeal gaz yasası

İdeal gaz yasası, sadece teoride olan ideal gazların durumları hakkında denklemler sağlayan bir yasadır Bir miktar gazın durumu; basıncı, hacmi ve sıcaklığına göre belli olur Bu denklem aşağıdaki gibidir:

P paskal olarak basınç,
V kübik metre olarak hacim,
n gazın mol sayısı,
R gaz sabiti (83145 J/(mol K))
T de Kelvin olarak sıcaklıktır

İdeal gaz sabiti (R), kullanılan birimlere göre değişir Yukarda verilen değer (83145), SI birimleri için, yani paskal-kübik metre-molar-kelvin için hesaplanmıştır

İdeal gaz yasası, en çok monatomik gazlar için geçerlidir ve yüksek sıcaklık, alçak basınçlarda daha iyi sonuçlar verir Bu formül, her gaz molekülünün boyutunu ya da moleküller arası bağları dikkate almadığından, bunları da dikkate alan van der Waals denklemi daha iyi sonuçlar verir

Alternatif Halleri

Mol sayısı (n), kütle olarak da verilebileceği için, bazen bu denklemin alternatif hali daha kullanışlı olabilir Bu özellikle bilinen bir gaz sorulduğunda kolaylık sağlar

Mol sayısının (n), kütlenin (m) molar kütleye (M) bölünmesine eşit olduğunu düşünün:

Bunu, n ile yer değiştirirsek:

Termodinamik ve fizik alanlarında, bir şey spesifik olması gerekiyorsa, bu değerlerin birim başına düşen kütle halinde verilmesi gerektiği anlamına gelir Bu durumda spesifik gaz sabiti (r), gaz sabitinin (R) molar kütleye (M) bölünmesi anlamına gelir:

Bu durumda, yukardaki formüle r eklenmek istense, aşağıdaki formül ortaya çıkar:

Yoğunluk (ρ) kütlenin hacme oranı olduğundan, hacim kütleyle yer değiştirirse (V = g/ρ), benzer bir formül yazılabilir