Bilim insanları yaklaşık beş yüz yıldır gazların davranışlarını ve hareketlerini incelemektedirler. Yıllar boyunca yapılan araştırmalar sonucunda birçok teori ve kanun geliştirilmiş ve gazların özellikleri arasındaki ilişkileri açıklayan denklemler elde edilmiştir. Günümüzde en yaygın kullanılan denklemlerden biri olan ideal gaz denklemi ve bu denklem içinde yer alan ideal gaz sabiti bu ayki konumuzu oluşturuyor.

İdeal gaz sabitini açıklamadan önce, biraz ideal gaz ve ideal gaz denkleminden bahsedelim. İdeal gazlar veya diğer adıyla mükemmel gazlar doğada bulunmayan, teorik olarak var oldukları kabul edilen, bulundukları kabın hacmine oranla çok çok küçük hacme sahip ve molekülleri arasında çekim kuvvetleri bulunmayan gazlara denmektedir. Bu açıklamaya uyan gazların arasındaki ilişkiyi belirleyen hal denklemine ise ideal gaz denklemi denmektedir. Aslında gazlar düşük sıcaklık ve/veya yüksek basınç şartları hariç ideal gaz denklemine büyük oranda uymaktadırlar. Her gaz ve gaz karışımı için hangi şartlarda ideallikten ne kadar saptıkları kaynak kitaplarda grafikler halinde gösterilmektedir. İdeal gaz sabitine geri dönersek; bir ideal gaz için hacmi ve basıncının çarpımının, miktarı ve sıcaklığının çarpımına oranı olarak açıklanabilecek fiziksel bir sabittir. R harfi ile ifade edilen bu katsayının bazı birimlerdeki değerleri tabloda verilmiştir.

R İdeal Gaz Sabiti

Şimdi gelelim tarihsel olarak ideal gaz sabitinin bulunması ve belirlenmesine. İdeal gaz sabitinin nasıl ortaya çıktığını görmek için 17.yy.’den 19.yy’e kadarki gaz yasalarının gelişimine bakmak gerekecektir. Bunlardan ilki Robert Boyle’un 1662 yılındaki yayınında “sabit sıcaklıkta, miktarı sabit olan bir gazın hacmi basıncı ile ters orantılıdır.” şeklinde özetlenebilecek ve günümüzde Boyle yasası olarak bilinen teorisidir. Ardından Jacques Charles, 1787 yılında bir gazın hacminin sıcaklıkla ilişkisini belirlemek amacıyla yaptığı deneylerde “sabit basınçta, miktarı sabit olan bir gazın hacmi sıcaklıkla doğru orantılı olarak artar” ilkesine ulaşmıştır. Ancak Charles deney sonuçlarını hiçbir zaman yayımlamamıştır. Kendinden 100 yıl önce benzer deneyleri yapan Amontons ve 1808 yılında yine benzer deneyleri yaparak yayımlayan Gay-Lussac’a rağmen yasa Charles yasası olarak anılmaktadır.

1811 yılında ise Avogadro yayımladığı makalede eşit sıcaklık ve basınçta iki farklı gaz eşit hacimlerde eşit sayıda molekül içerir önermesini sundu. 50 yıl boyunca dikkate alınmayan bu önerme daha sonra kabul edilerek Avagadro sayısının belirlenmesini sağladı. Bu önerme ile birlikte “sabit basınçta ve sıcaklıkta bir gazın hacmi, gazın miktarıyla doğru orantılı olarak artar” şeklinde açıklanabilecek Avogadro yasası ortaya çıkmış oldu. Son olarak Fransız mühendis Emile Clapeyron 1834 yılında Boyle, Charles ve Avogadro gaz yasalarını birleştirerek ideal gaz denklemi olarak bilinen eşitliği ortaya koydu. Bu denklemde bulunan basınç, hacim, miktar ve sıcaklık arasındaki ilişki her zaman bir sabite dayanıyordu ve denklemde R olarak belirtildi.

Bu konudaki bir diğer önemli adım Fransız kimyager Henri Victor Regnault’un yapmış olduğu deneylerdir. Regnault’un deneyleri sonucunda elde ettiği veri setleri sayesinde R sabitinin ilk değeri hesaplanabilmiş ve 1850 yılında Alman fizikçi Rudolf Clausius ideal gaz denklemini yeniden düzenleyebilmiştir. 1864 yılına gelindiğinde ise Clausius, denklemdeki sıcaklığı mutlak sıcaklık olarak değiştirerek yeni haline getirdi. Hem Clapeyron hem de Clausius denklemlerinde miktar olarak birim mol gazın hacmi yerine birim kütlenin hacmini kullanmışlardı. Dolayısıyla denklemlerdeki R sabiti tüm gazlar için geçerli olan bir değer olmayıp her gazın molar kütlesine göre belirlenen bir sabitti. Bu spesifik gaz sabitini üniversal gaz sabitine çeviren ilk kişi ise Clausius’un öğrencisi August F. Horstmann oldu. 1873 yılında ideal gaz denklemini üniversal gaz sabiti cinsinden yeniden yazarak son haline getirdi. Bir yıl sonra Horstmann’dan bağımsız olarak Dmitri Mendeleev de üniversal gaz sabitini hesapladığını duyurdu. Mendeleev’in 1874 yılında hesapladığı sabit, güncel değerinden %0,3 sapma gösteriyordu. 2019 yılında SI temel birimlerinin yeniden tanımlanmasının ardından ideal gaz sabitinin tam değeri 8,31446261815324 J/K.mol olarak belirlenmiş oldu.

Peki ideal gaz sabiti neden “R” harfi ile gösterilmektedir? Bu konu tam netleşmiş durumda değildir. Clapeyron’un rastgele R harfini seçtiği ya da Fransızca oran anlamına gelen “rapport” kelimesinin ilk harfini kullandığı düşünülmektedir. Öte yandan bazı bilim insanları Victor Regnault’un anısına ideal gaz sabiti için R harfinin kullanılmasını önermektedirler.

Süleyman Kavas – ÜNTES Pazarlama ve İş Geliştirme Müdürü