Kaasun paine, tilavuus ja lämpötila

Michael ja Leon pelaavat pöytätennistä. Ups! Astuin pallon päälle. Siihen tuli lommo. Ei sillä voi enää pelata, se on rikki!

Itse asiassa pallo ei ole rikki, muovi on vain lommolla — reikää ei ole, joten pallon sisällä on vielä ilmaa. Osaan korjata sen! Se pitää laittaa kuumaan veteen! Leon on oikeassa, pallon kuumentaminen voi korjata sen. Miten se tapahtuu?

Pallon sisältämän kaasun paineen, tilavuuden, ja lämpötilan välisen suhteen avulla. Tarkastellaan tilavuutta ja lämpötilaa. Muovisen pallon sisällä on tietty määrä ilmaa. Ilma ei pääse ulos eikä sisään. Kun rutistuneen pallon laittaa kuumaan veteen, sen sisällä oleva ilma lämpenee ja laajenee.

Laajeneva ilma tarvitsee enemmän tilaa, joten se työntyy pallon sisäseinää vasten pakottaen sen pullistumaan. Pallo saa muotonsa takaisin. Kaasun tilavuuden ja lämpötilan suhde tunnetaan Charlesin lakina. Lain mukaan tietyn kaasumäärän tilavuuden ja lämpötilan suhde on vakio, kun paine on vakio. Siispä, jos paine pysyy samana, kaasun tilavuus kasvaa samassa suhteessa kuin lämpötila nousee.

Lämpötilan lasku puolestaan aiheuttaa tilavuuden pienenemisen samassa suhteessa. Tiedämme nyt, että lämpötila ja tilavuus ovat suhteessa toisiinsa. Entä lämpötila ja paine? Tähän tarvitsemme toisen esimerkin. Oletko huomannut, että aerosolipulloissa, kuten spraymaaleissa, on varoitus, jossa pullo käsketään suojaamaan kuumuudelta?

Mistä se johtuu? Aerosolipullojen sisältö on paineistettua. Altistuessaan kuumuudelle pullon sisältämän kaasun paine kasvaa. Jonkin ajan kuluttua kaasun paine on liikaa pullon seinämille, ja se räjähtää. Tämä esimerkki osoittaa, että tilavuuden ollessa vakio, lämpötilan nousu saa paineen kasvamaan.

Kaasun paineen ja lämpötilan välistä suhdetta kuvaa Gay-Lussacin laki, joka tunnetaan joissakin maissa Amontonin lakina. Laki määrittelee, että massaltaan ja tilavuudeltaan vakion kaasun paine on suoraan verrannollinen kaasun absoluuttiseen lämpötilaan. Toisin sanoen, paineen ja lämpötilan suhde on vakio tilavuuden ollessa vakio. Entä paine ja tilavuus? Katsotaanpa spraypulloa uudestaan.

Sen sisällä on kahta tärkeää ainesosaa: kaasua ja maalia. Kaasu on hyvin paineistettua, joten se vie vain vähän tilaa. Mutta kun painat suutinta, paine laskee huomattavasti ja kaasun tilavuus nousee. Siksi yhdellä pullollisella voi maalata laajankin seinäpinnan. Tämä esimerkki osoittaa, että pakatun kaasun tilavuuden laskeminen nostaa sen painetta, ja tilavuuden nostaminen laskee painetta.

Kun paine laskee, tilavuus nousee. Boylen laki kuvailee tätä suhdetta: Tietyn kaasumäärän tilavuus tasaisessa paineessa on kääntäen verrannollinen paineeseen, jossa sitä mitataan. Näitä suhteita kuvaavat Charlesin, Gay-Lussacin ja Boylen lait ovat niin kutsuttuja kaasulakeja. Kaasulakeja voi soveltaa kaikkiin kaasuihin. Pallo on kunnossa!

Pelataanko vielä, Michael? Joo!