לחץ וחוקי הגזים.

שלב 1 מתוך 6

מהו לחץ

בסצנה קופסת זכוכית אטומה עם דופן שאפשר להזיז, ובתוכה 200 חלקיקים של חנקן ב־300 K. כל חלקיק מייצג מספר עצום של מולקולות אמיתיות, ולכן הקופסה מתנהגת כמו 2 L של אוויר: המד על הדופן הקבועה מראה לחץ של אטמוספרה אחת, 101 kPa בערך.

לחץ הוא כוח ליחידת שטח, $p = \dfrac{F}{A}$⁠, והיחידה שלו פסקל: ניוטון למטר רבוע. הסתכלו על החלקיקים שפוגעים בדפנות.

שלב 2 מתוך 6

לדחוס

כשהנפח קטן, כל חלקיק חוצה את הקופסה מהר יותר ומגיע לדופן לעתים קרובות יותר. אותם חלקיקים, באותה מהירות, פוגעים יותר: הלחץ עולה.

טמפרטורה וכמות הגז קבועות עכשיו. נחשו מה יראה המד כשתדחפו את נפח מ־2 L ל־1 L.

שלב 3 מתוך 6

חוק בויל

בטמפרטורה קבועה ובכמות גז קבועה, הלחץ והנפח הפוכים זה לזה: כשאחד גדל פי כמה, השני קטן פי אותו מספר. המכפלה שלהם לא משתנה:

$p_1 V_1 = p_2 V_2$⁠

זה חוק בויל. עכשיו הדופן ב־1.6 L: חשבו את הלחץ בעצמכם, ורק אחר כך הסתכלו על המד.

שלב 4 מתוך 6

לחמם

כשמחממים גז, החלקיקים נעים מהר יותר: כל פגיעה חזקה יותר, והפגיעות תכופות יותר. בנפח קבוע הלחץ גדל, והוא פרופורציוני לטמפרטורה המוחלטת:

$\frac{p_1}{T_1} = \frac{p_2}{T_2}$$\frac{p_1}{T_1} =$$\frac{p_2}{T_2}$⁠

זה חוק גיי־לוסק. אם מחממים את הגז בלחץ קבוע, הוא מתפשט באותו יחס, $\dfrac{V_1}{T_1} = \dfrac{V_2}{T_2}$$\dfrac{V_1}{T_1} =$$\dfrac{V_2}{T_2}$⁠: חוק שארל. נפח וכמות הגז קבועים עכשיו, וטמפרטורה פתוחה.

שלב 5 מתוך 6

למה בקלווין

היחסים האלה עובדים רק בקלווין. ב־0 °C לגז יש עדיין לחץ, ולכן אי אפשר לחלק במעלות צלזיוס: חימום מ־10 °C ל־20 °C לא מכפיל שום דבר. האפס של סולם קלווין הוא המקום שבו הלחץ של גז אידיאלי היה מגיע לאפס.

שלב 6 מתוך 6

עוד גז

הדרך השלישית להעלות לחץ היא להוסיף חלקיקים: כל חלקיק נוסף מוסיף פגיעות. טמפרטורה ונפח קבועים עכשיו, וכמות הגז פתוחה. שלושת החוקים יחד הם משוואה אחת, משוואת הגז האידיאלי:

$pV = nRT$⁠

כש־$n$⁠ הוא מספר המולים ו־$R = 8.314\ \mathrm{J/(mol \cdot K)}$$R =$$8.314\ \mathrm{J/(mol \cdot K)}$⁠ הוא קבוע הגזים.