Защо налягането намалява с увеличаване на обема?

Робърт Бойл, ирландски химик, живял от 1627 до 1691 г., е първият човек, който свързва обема на газ в ограничено пространство с обема, който заема. Той установи, че ако увеличите налягането (P) върху фиксирано количество газ при постоянна температура, обемът (V) намалява по такъв начин, че произведението на налягането и обема остават постоянни. Ако намалите налягането, обемът се увеличава. В математически план:

където C е константа. Тази връзка, известна като Закона на Бойл, е един от крайъгълните камъни на химията. Защо се случва това? Обичайният отговор на този въпрос включва концептуализиране на газ като съвкупност от свободно движещи се микроскопични частици.

TL; DR (твърде дълго; Не прочетох)

Налягането на газа варира обратно на обема, тъй като частиците на газа имат постоянно количество кинетична енергия при фиксирана температура.

Законът на Бойл е един от предшествениците на закона за идеалния газ, който гласи, че:

където n е масата на газа, T е температурата, а R е газовата константа. Законът за идеалния газ, подобно на закона на Бойл, е технически верен само за идеален газ, въпреки че и двете връзки осигуряват добри сближения с реалните ситуации. Идеалният газ има две характеристики, които никога не се срещат в реалния живот. Първият е, че газовите частици са 100 процента еластични и когато се ударят един в друг или по стените на контейнера, те не губят никаква енергия. Втората характеристика е, че идеалните газови частици не заемат място. Те са по същество математически точки без разширение. Реалните атоми и молекули са безкрайно малки, но заемат пространство.

Можете да разберете как газът оказва натиск върху стените на контейнера, само ако не предположите, че те нямат разширение в пространството. Истинската газова частица има не само маса, тя има енергия на движение или кинетична енергия. Когато съберете голям брой такива частици заедно в контейнер, енергията, която те отдават на стените на контейнера създава натиск върху стените и това е натискът, на който действа законът на Бойл се отнася. Ако приемем, че частиците са иначе идеални, те ще продължат да упражняват същото количество натиск върху стени, докато температурата и общият брой на частиците остават постоянни и вие не променяте контейнер. С други думи, ако T, n и V са постоянни, тогава законът за идеалния газ ни казва, че P е постоянен.

Сега да предположим, че позволявате обемът на контейнера да се увеличи. Частиците трябва да отидат по-далеч в своите пътуване до стените на контейнера и преди достигането им вероятно ще претърпи повече сблъсъци с други частици. Общият резултат е, че по-малко частици удрят стените на контейнера и тези, които го правят, имат по-малко кинетична енергия. Въпреки че би било невъзможно да се проследят отделни частици в контейнер, тъй като те са от порядъка на 10²³, можем да наблюдаваме цялостния ефект. Този ефект, както е записан от Бойл и хиляди изследователи след него, е, че натискът върху стените намалява.

В обратната ситуация частиците се струпват заедно, когато намалите силата на звука. Докато температурата остава постоянна, те имат еднаква кинетична енергия и повече от тях удрят по-често стените, така че налягането се повишава.