Gas: Tryck, volym och temperatur

Michael och Leon spelar bordtennis. Hoppsan! Jag trampade på bollen. Titta, den är bucklig. Vi kan inte spela med den här, den är trasig!

Nej, bollen är faktiskt inte trasig, plasten är bara tillbucklad – det finns inget hål, så luften är fortfarande kvar därinne. Äh! Jag vet hur man fixar det! Vi behöver bara lägga den i varmt vatten! Leon har rätt, att värma upp den buckliga bollen kan fixa den. Men hur fungerar det?

Det fungerar tack vare förhållandet mellan tryck, volym och temperatur på gasen inuti bollen. Vi tar volym och temperatur först. Pingisbollen är ett plasthölje som innehåller en viss mängd luft. Luften kan inte röra sig in i eller ut ur bollen. När du lägger den tillbucklade bollen i varmt vatten värms luften i den upp och expanderar.

Den expanderande luften tar upp mer utrymme, så den trycker på bollens inre väggar och tvingar den bucklade plasten utåt. Det gör bollen rund i formen igen. Det här förhållandet mellan gasens volym och temperatur kallas Charles lag. Enligt den lagen är förhållandet mellan volym och absolut temperatur för en given mängd gas konstant när trycket är konstant. Det innebär att om trycket förblir detsamma, ökar volymen för en viss mängd gas proportionellt med ökningen i temperatur.

En minskning av temperaturen, å andra sidan, leder till en proportionell minskning av volymen. Okej, så nu vet vi hur temperatur och volym förhåller sig till varandra. Men temperatur och tryck då? För det behöver vi ett annat exempel. Har du tänkt på att sprayburkar, som färgsprayer, har en varningstext om att de ska hållas borta från värmekällor?

Har du någonsin undrat varför? Sprayburkar innehåller gas med högt tryck. När den utsätts för höga temperaturer ökar gasens tryck inuti burken. Efter ett tag utövar gasen så mycket tryck på behållarens insida att den exploderar. Det här exemplet visar att när volymen är konstant gör ökande temperatur att trycket ökar.

Förhållandet mellan tryck och temperatur för en gas beskrivs av Amontons lag, även kallad Gay-Lussacs lag. Lagen säger att trycket i en gas med bestämd massa och volym är direkt proportionellt mot gasens absoluta temperatur. Med andra ord är förhållandet mellan tryck och temperatur konstant när volymen är konstant. Hur är det med tryck och volym då? Vi tar sprayburken igen.

Inuti burken finns två typer av ämnen: en drivgas, och själva sprayfärgen. Gasen är väldigt komprimerad, så den tar upp ett litet utrymme. Men när du trycker på munstycket minskar trycket drastiskt och gasens volym ökar. Det är därför sprayfärgen trycks ut med så stor kraft. Det här exemplet visar att om du minskar volymen för en innesluten gas kommer den få ett högt tryck, och om du ökar volymen kommer du minska dess tryck.

Och när trycket sjunker så ökar volymen. Det här förhållandet anges i Boyles lag: Volymen av en given mängd gas som hålls vid konstant temperatur är omvänt proportionell mot trycket i gasen. De förhållanden som beskrivs av Charles lag, Gay-Lussacs lag och Boyles lag är tre av de så kallade gaslagarna. Gaslagarna kan tillämpas på alla gaser. Bollen är lagad!

En match till, Michael? Visst!