Закон на Гей-Люсак

Закон на Гей-Люсак касае два закона за газовете, открити от френския химик и физик Жозеф-Луи Гей-Люсак съответно през 1802 и по-късно през 1809 година. Чрез обобщаване на експерименталните закони на Гей-Люсак, Авогадро, Шарл и Бойл – Мариот през 1834 г. френският физик Б.П.Е. Клапейрон получава уравнението за състоянието на идеалния газ.

Закон на Гей-Люсак за изохорен процес с идеален газ

Съгласно закона на Гей-Люсак при изохорен процес (V = const) налягането p на дадено (постоянно) количество идеален газ е правопропорционално на абсолютната температура Т на газа, т.е.

при постоянен обем V отношението между налягането p и абсолютна температура Т на дадена маса идеален газ е постоянна величина:

p/Т = const (при V = const).

Ако например при изохорен процес температурата T на газа нарасне два пъти, неговото налягане p също нараства два пъти, а отношението p/T не се променя.

Законът на Гей-Люсак често се записва във вида:

${\frac {P_{1}}{T_{1}}}={\frac {P_{2}}{T_{2}}}$

където:

P е налягането на газа;

T е абсолютната температура на газа.

Закон на Гей-Люсак за обемите (1809 г.)

Законът на Гей-Люсак, открит през 1809 (или 1808) година, гласи:

Когато газовете реагират, произведените и използваните обеми, измерени при една и съща температура и налягане, са в отношения на малки цели числа.

Този закон изиграва много важна роля в развитието на модерната стехиометрия. През 1811 г. Амедео Авогадро използва закона на Гей-Люсак за обемите като основа на т.нар. закон на Авогадро.

Закони за изобарния и за изохорния процес

Законите за изобарния и за изохорния процес се записват още във вида: V = V₀(1 + αt) – изобарен процес (p = const) и p = p₀(1 + βt) – изохорен процес (V = const), където t е температурата на газа в градуси Целзий (°C), V₀ и p₀ са съответно обемът и налягането на идеалния газ при температура t = 0 °C, α e коефициентът на топлинно разширение на газа, β е температурният коефициент на налягането на газа. За идеален газ α = β = 1/(273,15 °C), откъдето следва, че при температура t = –273,15 °C (абсолютна нула) обемът и налягането на идеалния газ стават равни на нула. Това е така, защото идеалният газ е опростен физичен модел на газ, който не отчита собствения обем на молекулите и тяхното взаимодействие от разстояние. При достатъчно ниски температури реалните газове се втечняват (вж. уравнение на Ван дер Ваалс).

История

Още в края на XVII век френският учен Гийом Амонтон изучава опитно изобарното свиване и разширение на дадена маса въздух, но получава завишена стойност на коефициента на топлинно разширение (α = 1/(240 °C), защото не отчита влажността на въздуха (при охлаждане част от водните пари кондензират и това води до по-бързо намаляване на обема на въздуха). Подробни и много прецизни изследвания на двата процеса провежда Гей-Люсак в началото на XIX век. В опитите си той използва както сух атмосферен въздух, така и газовете кислород, водород и азот, пари на амоняка и пари на различни киселини (солна, сярна, въглеродна). За всички изследвани газове и пари Гей-Люсак получава еднa и същa стойност на коефициента на обемно разширение (α = 1/(266 °C), близка до тази за идеалния газ.

Когато през 1802 г. Гей-Люсак публикува своите изследвания, той отбелязва, че подобни резултати за изобарния процес е получил 15 години преди него (през 1787 г.) френският учен Жак Цезар Шарл, но не ги е публикувал. Затова в съвременната учебна литература по физика е прието законът за изобарния процес (p = const) при идеалния газ да се нарича закон на Шарл. По-рядко се среща като закон на Шарл и Гей-Люсак или само закон на Гей-Люсак.

Законът за изохорния процес (V = const) се нарича закон на Гей-Люсак (в отделни източници названията са разменени – като закон на Шарл се посочва законът за изохорния процес, което не е правилно). В по-старите учебници по физика на български език законът за изобарния процес е наречен първи закон на Гей-Люсак, а законът за изохорния процес – втори закон на Гей-Люсак, което от гледна точка на историята на физиката е коректно.