Proč tlak klesá s rostoucím objemem?

Robert Boyle, irský chemik, který žil v letech 1627 až 1691, byl první osobou, která dala do souvislosti objem plynu v uzavřeném prostoru s objemem, který zabírá. Zjistil, že pokud zvýšíte tlak (P) na stálé množství plynu při konstantní teplotě, objem (V) se sníží takovým způsobem, že produkt tlaku a objemu zůstane konstantní. Pokud tlak snížíte, zvýší se objem. Matematicky:

kde C je konstanta. Tento vztah, známý jako Boyleův zákon, je jedním ze základních kamenů chemie. Proč se to stalo? Obvyklá odpověď na tuto otázku zahrnuje konceptualizaci plynu jako souboru volně se pohybujících mikroskopických částic.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Tlak plynu se mění nepřímo s objemem, protože částice plynu mají konstantní množství kinetické energie při pevné teplotě.

Boyleův zákon je jedním z předchůdců zákona o ideálním plynu, který stanoví, že:

kde n je hmotnost plynu, T je teplota a R je plynová konstanta. Zákon ideálního plynu, stejně jako Boyleův zákon, je technicky pravdivý pouze pro ideální plyn, ačkoli oba vztahy poskytují dobrou aproximaci reálných situací. Ideální plyn má dvě vlastnosti, které se v reálném životě nikdy nevyskytují. První je, že částice plynu jsou stoprocentně elastické a když narazí na sebe nebo na stěny nádoby, neztrácejí žádnou energii. Druhou charakteristikou je, že částice ideálního plynu nezabírají žádný prostor. Jsou to v podstatě matematické body bez rozšíření. Skutečné atomy a molekuly jsou nekonečně malé, ale zabírají prostor.

Můžete pochopit, jak plyn vyvíjí tlak na stěny nádoby, pouze pokud nevytvoříte předpoklad, že nemají ve vesmíru žádné prodloužení. Skutečná plynová částice má nejen hmotnost, energii pohybu nebo kinetickou energii. Když vložíte velké množství takových částic do nádoby, energie, kterou jim propůjčí stěny kontejneru vytvářejí tlak na stěny, a to je tlak, na který Boyleův zákon odkazuje. Za předpokladu, že částice jsou jinak ideální, budou na ni vyvíjet stejné množství tlaku stěny, pokud teplota a celkový počet částic zůstávají konstantní a neměníte kontejner. Jinými slovy, pokud T, n a V jsou konstantní, pak zákon ideálního plynu nám říká, že P je konstantní.

Nyní předpokládejme, že umožníte zvětšení objemu nádoby. Částice musí jít dál do svých cesta ke stěnám kontejneru a před jejich dosažením pravděpodobně utrpí více kolizí s ostatními částice. Celkovým výsledkem je, že méně částic narazí na stěny kontejneru a ty, díky nimž mají méně kinetické energie. I když by bylo nemožné sledovat jednotlivé částice v kontejneru, protože jejich počet je řádově 10²³, můžeme pozorovat celkový efekt. Tento účinek, jak zaznamenal Boyle a tisíce vědců po něm, spočívá v tom, že tlak na stěny klesá.

V opačném případě se částice stlačí, když snížíte hlasitost. Dokud teplota zůstane konstantní, mají stejnou kinetickou energii a více z nich naráží častěji na stěny, takže tlak stoupá.