Warum sinkt der Druck mit zunehmendem Volumen?

Robert Boyle, ein irischer Chemiker, der von 1627 bis 1691 lebte, war der erste, der das Volumen eines Gases auf engstem Raum mit dem Volumen in Beziehung setzte, das es einnimmt. Er fand heraus, dass, wenn man den Druck (P) einer festen Gasmenge bei konstanter Temperatur erhöht, das Volumen (V) so abnimmt, dass das Produkt aus Druck und Volumen konstant bleibt. Wenn Sie den Druck senken, erhöht sich das Volumen. Mathematisch ausgedrückt:

wobei C eine Konstante ist. Diese Beziehung, bekannt als Boyles Gesetz, ist einer der Eckpfeiler der Chemie. Warum passiert das? Die übliche Antwort auf diese Frage besteht darin, sich ein Gas als eine Ansammlung frei beweglicher mikroskopischer Partikel vorzustellen.

TL; DR (zu lang; nicht gelesen)

Der Druck eines Gases ändert sich umgekehrt mit dem Volumen, da die Gasteilchen bei einer festen Temperatur eine konstante kinetische Energie haben.

Das Boylesche Gesetz ist einer der Vorläufer des idealen Gasgesetzes, das besagt:

wobei n die Masse des Gases ist, T die Temperatur und R die Gaskonstante ist. Das Gesetz des idealen Gases, wie das Gesetz von Boyle, gilt technisch nur für ein ideales Gas, obwohl beide Beziehungen gute Annäherungen an reale Situationen bieten. Ein ideales Gas hat zwei Eigenschaften, die im wirklichen Leben nie vorkommen. Erstens sind die Gasteilchen zu 100 Prozent elastisch und verlieren beim Auftreffen aufeinander oder an den Behälterwänden keine Energie. Das zweite Merkmal ist, dass ideale Gasteilchen keinen Raum einnehmen. Sie sind im Wesentlichen mathematische Punkte ohne Erweiterung. Reale Atome und Moleküle sind verschwindend klein, nehmen aber Raum ein.

Sie können nur verstehen, wie ein Gas Druck auf die Wände eines Behälters ausübt, wenn Sie nicht davon ausgehen, dass sie keine Ausdehnung im Raum haben. Ein reales Gasteilchen hat nicht nur Masse, sondern auch Bewegungsenergie oder kinetische Energie. Wenn Sie eine große Anzahl solcher Teilchen in einem Behälter zusammenfügen, wird die Energie, die sie auf die Wände des Behälters erzeugen Druck auf die Wände, und das ist der Druck, auf den das Boylesche Gesetz verweist. Unter der Annahme, dass die Partikel ansonsten ideal sind, üben sie weiterhin den gleichen Druck auf die Wände, solange die Temperatur und die Gesamtzahl der Partikel konstant bleiben und Sie die Container. Mit anderen Worten, wenn T, n und V konstant sind, dann sagt uns das Gesetz des idealen Gases, dass P konstant ist.

Angenommen, Sie lassen das Volumen des Behälters größer werden Die Partikel müssen weiter in ihre Fahrt zu den Containerwänden, und bevor sie diese erreichen, ist es wahrscheinlich, dass es mehr Kollisionen mit anderen gibt Partikel. Das Gesamtergebnis ist, dass weniger Partikel auf die Behälterwände treffen und diejenigen, die es verursachen, weniger kinetische Energie haben. Obwohl es unmöglich wäre, einzelne Partikel in einem Behälter zu verfolgen, da ihre Anzahl in der Größenordnung von 10. liegt²³, können wir den Gesamteffekt beobachten. Dieser Effekt, wie Boyle und Tausende von Forschern nach ihm feststellten, besteht darin, dass der Druck auf die Wände sinkt.

Im umgekehrten Fall drängen sich die Partikel zusammen, wenn Sie das Volumen verringern. Solange die Temperatur konstant bleibt, haben sie die gleiche kinetische Energie, und mehr von ihnen treffen häufiger auf die Wände, sodass der Druck steigt.