لماذا ينخفض ​​الضغط مع زيادة الحجم؟

كان روبرت بويل ، الكيميائي الأيرلندي الذي عاش من عام 1627 إلى عام 1691 ، أول شخص يربط حجم الغاز في مكان محصور بالحجم الذي يشغله. وجد أنه إذا قمت بزيادة الضغط (P) على كمية ثابتة من الغاز عند درجة حرارة ثابتة ، فإن الحجم (V) ينخفض ​​بطريقة تجعل ناتج الضغط والحجم ثابتًا. إذا خفضت الضغط ، يزداد الحجم. من الناحية الرياضية:

حيث C ثابت. هذه العلاقة ، المعروفة باسم قانون بويل ، هي أحد أحجار الزاوية في الكيمياء. لماذا يحدث هذا؟ تتضمن الإجابة المعتادة على هذا السؤال تصور الغاز على أنه مجموعة من الجسيمات المجهرية التي تتحرك بحرية.

TL ؛ DR (طويل جدًا ؛ لم أقرأ)

يختلف ضغط الغاز عكسيًا مع الحجم لأن جسيمات الغاز لها كمية ثابتة من الطاقة الحركية عند درجة حرارة ثابتة.

قانون بويل هو أحد أسلاف قانون الغاز المثالي ، والذي ينص على ما يلي:

حيث n هي كتلة الغاز ، T هي درجة الحرارة و R هي ثابت الغاز. قانون الغاز المثالي ، مثل قانون بويل ، صحيح تقنيًا فقط للغاز المثالي ، على الرغم من أن كلا العلاقتين توفران تقديرات تقريبية جيدة للمواقف الحقيقية. الغاز المثالي له خاصيتان لا تحدثان في الحياة الواقعية. الأول هو أن جزيئات الغاز مرنة بنسبة 100٪ ، وعندما تصطدم ببعضها البعض أو بجدران الحاوية ، فإنها لا تفقد أي طاقة. السمة الثانية هي أن جزيئات الغاز المثالية لا تشغل مساحة. إنها في الأساس نقاط رياضية بدون امتداد. الذرات والجزيئات الحقيقية صغيرة إلى حد ما ، لكنها تشغل حيزًا.

يمكنك أن تفهم كيف يمارس الغاز ضغطًا على جدران الحاوية فقط إذا لم تفترض أنه ليس لها امتداد في الفضاء. جسيم الغاز الحقيقي ليس له كتلة فقط ، بل لديه طاقة حركة ، أو طاقة حركية. عندما تضع عددًا كبيرًا من هذه الجسيمات معًا في حاوية ، فإن الطاقة التي تنقلها إلى تخلق جدران الحاوية ضغطًا على الجدران ، وهذا هو الضغط الذي يمارسه قانون بويل يشير. بافتراض أن الجسيمات مثالية بخلاف ذلك ، فإنها ستستمر في ممارسة نفس القدر من الضغط على طالما ظلت درجة الحرارة والعدد الإجمالي للجسيمات ثابتة ، ولا يمكنك تعديل وعاء. بعبارة أخرى ، إذا كانت T و n و V ثابتة ، فإن قانون الغاز المثالي يخبرنا أن P ثابت.

لنفترض الآن أنك سمحت بزيادة حجم الحاوية رحلة إلى جدران الحاوية ، وقبل الوصول إليها من المحتمل أن تعاني من المزيد من الاصطدامات مع الأخرى حبيبات. والنتيجة الإجمالية هي أن عددًا أقل من الجزيئات يصطدم بجدران الحاوية ، وتلك التي تجعلها تمتلك طاقة حركية أقل. على الرغم من أنه سيكون من المستحيل تتبع الجسيمات الفردية في حاوية ، لأن عددها في حدود 10²³، يمكننا ملاحظة التأثير الكلي. هذا التأثير ، كما سجله بويل وآلاف الباحثين من بعده ، هو أن الضغط على الجدران ينخفض.

في الوضع العكسي ، تتكدس الجزيئات معًا عندما تقلل الحجم. طالما ظلت درجة الحرارة ثابتة ، فإنهم يتمتعون بنفس الطاقة الحركية ، ويصطدم الكثير منهم بالجدران بشكل متكرر ، وبالتالي يرتفع الضغط.