A gázok állapotváltozásainak tanulmányozását is érdemes az egyszerűbb esetekkel kezdeni. Attól egyszerűbb egy változás, ha csak minél kevesebb paraméter (állapotjelző) változik, nem pedig az összes, más szóval az állapotjelzők egy része állandó értékű. A legegyszerűbb, ha két paraméter változik csak, "minden egyéb változatlansága mellett". Ekkor ennek a két paraméternek az összefüggését fogjuk "tisztán" (a többi paraméter hatásaitól mentesen) megkapni.
Gázok esetén ha elgondolkodunk, hogy vajon melyik paramétert lenne érdemes állandó értéken tartani, a legkézenfekvőbb ötlet, hogy a folyamat során a gáz mennyisége ne változzon, "ne szökjön meg a gáz egy része", illetve ne pumpáljunk hozzá újabb adagot. Vagyis a gáz anyagmennyisége, legyen állandó, illetve ami ezzel egyenértékű, hogy a tömege legyen állandó:
\[n=\mathrm{konst.}\]
\[m=\mathrm{konst.}\]
Ezt hívhatjuk úgy, hogy "bezárt gáz". Ha ezt lefixáltuk, akkor még nem jutottunk el a legegyszerűbb (csak két állapotjelző változik) esethez, hiszen ha például egy lufiba zárt gázzal hőt közlünk (infralámpával melegítve őt), akkor egyrészt felforrósodik, kitágul, és a kitágulástól az őt bezáró lufi gumija jobban fog feszülni, így aztán megváltozik a hőmérséklete, a térfogata és a nyomása is. Vagyis a \(T\), \(V\), \(p\) állapotjelzők közül egyet még állandó értéken kell tartanunk. Kezdjük a sort a legkönnyebben kivitelezhető esettel, az állandó hőmérsékletűvel, itt ugyanis nem kell melegíteni vagy hűteni a gázt. Tehát csak a nyomás és a térfogat fog változni.
Bezárt gáz izoterm állapotváltozása
Az állandó hőmérsékletet jelentő izoterm kifejezés a görög ἴσος (íszosz, jelentése: egyenlő, azonos) és a θερμός (ejtsd: thermósz; jelentése: meleg) szavakból áll. A gáz bezárása technikailag nem is annyira könnyű feladat, hiszen most a térfogat változhat, így a gázt nem lehet egyszerűen egy merev falú tartályba zárni, hanem a falaknak (legalább egy részen) tudnia kell mozogni. Ennek kivitelezésére több lehetőség kínálkozik, a legősibb:
Ennél egy hajlított üvegcsőbe egyre több higanyt öntünk, ami a bal oldali zárt szárban lévő bezárt levegőt egyre jobban összenyomja. A gáz térfogata a levegőoszlop hosszából számítható, a nyomása pedig a külső légnyomás és a higanyszintek különbségéből adódó hidrosztatikai nyomás összege.
Itt az átlátszó plexi-csőbe van beárva a levegő, aminek megszökését a dugattyún körbefutó két fekete gumigyűrű tömítés akadályozza meg. A bezárt gáztól a bal oldali kék fémtömbben egy kis furat megy a fenti nyomásmérőhöz.
Ez egy egyszerűbb változat, amikor egy olcsó fecskendő jelenti a tartályt és a dugattyút.
Ennél a változatnál egy gyakori hibát elkövettek: hiába olvassuk le a fecskendőn hogy mondjuk \(40\ \mathrm{ml}\), a bezárt gáz térfogata ennél érdemben nagyobb, ugyanis a nyomásmérőhöz vezető (időnként indokolatlanul hosszú) csőben is a bezárt gáz van, vagyis a leolvasott térfogat a valódinál kisebb.
A fenti változatban egy felül zárt függőleges üvegcső tetején van bezárva a vizsgálandó levegő, és ezt úgy nyomják össze, hogy alulról pirosra festett folyadékot pumpálnak az üvegcsőbe (leginkább olajat, hogy annak kicsi párolgása miatt a vizsgált, fenti levegőbe bekerülő folyadékgőz nyomása ne zavarja meg a mérést). Ennek az elrendezésnek a hátránya, hogy nyugvó folyadékban a nyomás felfelé menet csökken, így a bezárt levegő nyomása kisebb, mint amit a lenti nyomásmérőn leolvasunk, bár az eltérés csak néhány %-nyi.
Mindegyik változatnál a gáz térfogatváltozása után kis időt várni kell, hogy az esetlegesen felmelegedett vagy lehűlt gáz újra átvegye az állandónak tekinthető szobahőmérsékletet.
Ha ezen eszközökkel megmérjük a különböző térfogathoz tartozó nyomásokat, akkor azt tapasztaljuk, hogy ha egyre kisebb térfogatra akarjuk összepréselni a gázt, ahhoz egyre nagyobb nyomásra van szükség. Pontosabban ahányszorosan akarjuk csökkenteni a térfogatot, annyiszorosra kell növelni a nyomást. Vagyis a nyomás és a térfogat fordítottan arányos, ami úgy írható fel egyenletként, hogy a szorzatuk állandó:
\[p\cdot V=\mathrm{konst.}\]
vagy ha ugyanez két állapotra (egy 1-es és egy 2-es állapotra) írjuk fel:
\[p_1\cdot V_1=p_2\cdot V_2\]
Ezt hívjuk Bolyle-Matriotte-törvénynek (angolszász területen Boyle's Law). Fontos, hogy ez csak állandó mennyiségű és állandó hőmérsékletű gázra áll fenn.
Ábrázoljuk bezárt ideális gáz izoterm folyamatát különféle tengelyű koordinátarendszerekben! Mivel a hőmérséklet állandó, így az olyan koordinátarendszerek, ahol a vízszintes (illetve függőleges) tengelyen a hőmérséklet szerepel, ott a grafikon függőleges (illetve vízszintes) egyenes. Emiatt a legbeszédesebb a nyomás-térfogat, azaz a \(p\thinspace \unicode{x2013} \thinspace V\) grafikon:
illetve ennek felcserélt tengelyű változata (tükörképe a \(45^\circ\)-os, origón átmenő egyenesre), a térfogat-nyomás, azaz a \(V\thinspace \unicode{x2013} \thinspace p\) grafikon:
A térfogat-hőmérséklet, azaz \(V\thinspace \unicode{x2013} \thinspace T\):
illetve ennek tükörképe, a hőmérséklet-térfogat, azaz \(T\thinspace \unicode{x2013} \thinspace V\):
Végül a nyomás-hőmérséklet, azaz \(p\thinspace \unicode{x2013} \thinspace T\):
és tükörpárja, a hőmérséklet-nyomás, azaz \(T\thinspace \unicode{x2013} \thinspace p\):
