Robert Boyle, en irsk kemiker, der boede fra 1627 til 1691, var den første person, der forbandt volumenet af en gas i et begrænset rum med det volumen, det indtager. Han fandt ud af, at hvis du øger trykket (P) på en fast mængde gas ved en konstant temperatur, falder volumen (V) på en sådan måde, at produktet af tryk og volumen forbliver konstant. Hvis du sænker trykket, øges lydstyrken. I matematiske termer:
PV = C
hvor C er en konstant. Dette forhold, kendt som Boyles lov, er en af hjørnestenene i kemi. Hvorfor sker dette? Det sædvanlige svar på dette spørgsmål involverer konceptualisering af en gas som en samling af frit bevægelige mikroskopiske partikler.
TL; DR (for lang; Har ikke læst)
Trykket på en gas varierer omvendt med volumen, fordi gaspartiklerne har en konstant mængde kinetisk energi ved en fast temperatur.
En ideel gas
Boyles lov er en af forløberne for den ideelle gaslov, der siger, at:
PV = nRT
hvor n er massen af gassen, T er temperaturen og R er gaskonstanten. Den ideelle gaslov er, ligesom Boyles lov, teknisk set kun sand for en ideel gas, selvom begge forhold giver gode tilnærmelser til reelle situationer. En ideel gas har to egenskaber, der aldrig forekommer i det virkelige liv. Den første er, at gaspartiklerne er 100 procent elastiske, og når de rammer hinanden eller beholderens vægge, mister de ikke energi. Det andet kendetegn er, at ideelle gaspartikler ikke optager plads. De er i det væsentlige matematiske punkter uden udvidelse. Reelle atomer og molekyler er uendeligt små, men de optager plads.
Hvad skaber pres?
Du kan forstå, hvordan en gas udøver pres på væggene i en container, hvis du ikke antager, at de ikke har nogen udvidelse i rummet. En reel gaspartikel har ikke kun masse, den har bevægelsesenergi eller kinetisk energi. Når du lægger et stort antal af sådanne partikler sammen i en beholder, giver den energi de til beholderens vægge skaber pres på væggene, og dette er det pres, Boyles lov henviser. Forudsat at partiklerne ellers er ideelle, vil de fortsætte med at udøve den samme mængde tryk på vægge, så længe temperaturen og det samlede antal partikler forbliver konstant, og du ændrer ikke beholder. Med andre ord, hvis T, n og V er konstante, fortæller den ideelle gaslov os, at P er konstant.
Ændr volumen og du ændrer tryk
Antag nu, at du tillader volumen af beholderen at stige. Partiklerne har længere tid at gå i deres rejse til containervæggene, og før de når dem, vil de sandsynligvis blive udsat for flere kollisioner med andre partikler. Det samlede resultat er, at færre partikler rammer beholdervæggene, og dem, der gør det, har mindre kinetisk energi. Selv om det ville være umuligt at spore individuelle partikler i en beholder, fordi de nummererer i størrelsesordenen 1023, kan vi observere den samlede effekt. Den effekt, som registreret af Boyle og tusinder af forskere efter ham, er, at trykket på væggene går ned.
I den omvendte situation bliver partikler overfyldt, når du reducerer lydstyrken. Så længe temperaturen forbliver konstant, har de samme kinetiske energi, og flere af dem rammer væggene oftere, så trykket stiger.