Κατά τη διάρκεια των αιώνων, οι επιστήμονες ανακάλυψαν νόμους που εξηγούν πώς ιδιότητες όπως ο όγκος και η πίεση επηρεάζουν τον τρόπο συμπεριφοράς των αερίων. Παρακολουθείτε πραγματικές εφαρμογές τουλάχιστον ενός από αυτούς τους νόμους - του νόμου του Boyle - καθημερινά, ίσως χωρίς ποτέ να γνωρίζετε ότι τηρείτε σημαντικές επιστημονικές αρχές σε δράση.
Molecular Motion, Volume και Footballs
Σύμφωνα με το νόμο του Charles, η αύξηση του όγκου είναι ανάλογη με την αύξηση της θερμοκρασίας εάν θερμαίνετε μια σταθερή ποσότητα αερίου σε σταθερή πίεση. Επιδείξτε αυτόν τον νόμο παρατηρώντας πώς ένα διογκωμένο ποδόσφαιρο που ήταν σε εσωτερικούς χώρους γίνεται μικρότερο αν το πάρετε έξω σε μια κρύα μέρα. Οι διανομείς προπανίου επωφελούνται από το νόμο του Καρόλου μειώνοντας τη θερμοκρασία στους -42,2 βαθμούς Κελσίου (-44 Φαρενάιτ) - μια ενέργεια που μετατρέπει το προπάνιο σε ένα υγρό που είναι πιο εύκολο στη μεταφορά και κατάστημα. Το προπάνιο υγροποιεί γιατί καθώς μειώνεται η θερμοκρασία, τα μόρια του αερίου πλησιάζουν και μειώνεται ο όγκος.
Η αναπνοή γίνεται δύσκολη ευγενική παραχώρηση του νόμου του Dalton
Ο νόμος του Dalton λέει ότι η συνολική πίεση ενός μείγματος αερίου ισούται με το άθροισμα όλων των αερίων που περιέχονται στο μείγμα, όπως φαίνεται στην ακόλουθη εξίσωση:
Αυτό το παράδειγμα προϋποθέτει ότι υπάρχουν μόνο δύο αέρια στο μείγμα. Μία συνέπεια αυτού του νόμου είναι ότι το οξυγόνο αντιπροσωπεύει το 21% της συνολικής πίεσης της ατμόσφαιρας, διότι αποτελεί το 21% της ατμόσφαιρας. Οι άνθρωποι που ανεβαίνουν σε μεγάλα υψόμετρα βιώνουν τον νόμο του Ντάλτον όταν προσπαθούν να αναπνεύσουν. Καθώς ανεβαίνουν υψηλότερα, η μερική πίεση του οξυγόνου μειώνεται καθώς η συνολική ατμοσφαιρική πίεση μειώνεται σύμφωνα με το νόμο του Dalton. Το οξυγόνο έχει έναν δύσκολο χρόνο να το κάνει στην κυκλοφορία του αίματος όταν μειώνεται η μερική πίεση του αερίου. Η υποξία, ένα σοβαρό ιατρικό πρόβλημα που ενδέχεται να οδηγήσει σε θάνατο, μπορεί να συμβεί όταν συμβεί αυτό.
Εκπληκτικές επιπτώσεις του νόμου του Avogadro
Ο Amadeo Avogadro έκανε ενδιαφέρουσες προτάσεις το 1811 που διατυπώνουν τώρα το νόμο του Avogadro. Αναφέρει ότι ένα αέριο περιέχει τον ίδιο αριθμό μορίων με ένα άλλο αέριο ίσου όγκου στην ίδια θερμοκρασία και πίεση. Αυτό σημαίνει ότι όταν διπλασιάζετε ή τριπλασιάζετε τα μόρια ενός αερίου, ο όγκος διπλασιάζεται ή τριπλασιάζεται εάν η πίεση και η θερμοκρασία παραμένουν σταθερές. Οι μάζες των αερίων δεν θα είναι ίδιες αφού έχουν διαφορετικά μοριακά βάρη. Αυτός ο νόμος ορίζει ότι ένα αερόστατο και ένα ίδιο μπαλόνι που περιέχει ήλιο δεν ζυγίζουν το ίδιο επειδή τα μόρια του αέρα - αποτελούμενα κυρίως από άζωτο και οξυγόνο - έχουν μεγαλύτερη μάζα από το ήλιο μόρια.
Η μαγεία των σχέσεων αντίστροφης πίεσης
Ο Robert Boyle μελέτησε επίσης τις συναρπαστικές σχέσεις μεταξύ όγκου, πίεσης και άλλων ιδιοτήτων αερίου. Σύμφωνα με το νόμο του, η πίεση ενός αερίου υπερβαίνει τον όγκο του είναι σταθερή εάν το αέριο λειτουργεί σαν ένα ιδανικό αέριο. Αυτό σημαίνει ότι ο όγκος των χρόνων πίεσης ενός αερίου ισούται με τον όγκο των χρόνων πίεσης σε άλλο αφού ρυθμίσετε μία από αυτές τις ιδιότητες. Η ακόλουθη εξίσωση απεικονίζει αυτήν τη σχέση:
P_1V_1 = P_2V_2
Στα ιδανικά αέρια, η κινητική ενέργεια περιλαμβάνει όλη την εσωτερική ενέργεια του αερίου και μια αλλαγή θερμοκρασίας συμβαίνει εάν αλλάξει αυτή η ενέργεια. (αναφ. 6, πρώτο εδάφιο σχετικά με αυτόν τον ορισμό). Οι αρχές αυτού του νόμου αγγίζουν πολλούς τομείς στην πραγματική ζωή. Για παράδειγμα, όταν εισπνέετε, το διάφραγμα αυξάνει τον όγκο των πνευμόνων σας. Ο νόμος του Boyle υποστηρίζει ότι η πίεση των πνευμόνων μειώνεται, προκαλώντας την ατμοσφαιρική πίεση να γεμίσει τους πνεύμονες με αέρα. Το αντίστροφο συμβαίνει όταν εκπνέετε. Μια σύριγγα γεμίζει χρησιμοποιώντας την ίδια αρχή τραβήξτε το έμβολο και ο όγκος της σύριγγας αυξάνεται, προκαλώντας αντίστοιχη μείωση της πίεσης στο εσωτερικό. Επειδή το υγρό βρίσκεται σε ατμοσφαιρική πίεση, ρέει στην περιοχή χαμηλής πίεσης μέσα στη σύριγγα.