Γιατί μειώνεται η πίεση καθώς αυξάνεται ο όγκος;

Ο Robert Boyle, ένας Ιρλανδός χημικός που έζησε από το 1627 έως το 1691, ήταν το πρώτο άτομο που συσχετίζει τον όγκο ενός αερίου σε έναν περιορισμένο χώρο με τον όγκο που καταλαμβάνει. Διαπίστωσε ότι εάν αυξήσετε την πίεση (P) σε μια σταθερή ποσότητα αερίου σε μια σταθερή θερμοκρασία, ο όγκος (V) μειώνεται με τέτοιο τρόπο ώστε το προϊόν της πίεσης και του όγκου να παραμένει σταθερό. Εάν μειώσετε την πίεση, ο όγκος αυξάνεται. Σε μαθηματικούς όρους:

όπου το C είναι μια σταθερά. Αυτή η σχέση, γνωστή ως Boyle's Law, είναι ένας από τους ακρογωνιαίους λίθους της χημείας. Γιατί συμβαίνει αυτό; Η συνήθης απάντηση σε αυτό το ερώτημα περιλαμβάνει την έννοια του αερίου ως μια συλλογή μικροσκοπικών σωματιδίων που κινούνται ελεύθερα.

TL; DR (Πάρα πολύ καιρό; Δεν διαβάστηκε)

Η πίεση ενός αερίου ποικίλλει αντιστρόφως ανάλογα με τον όγκο, επειδή τα σωματίδια αερίου έχουν σταθερή ποσότητα κινητικής ενέργειας σε σταθερή θερμοκρασία.

Το Boyle's Law είναι ένας από τους προδρόμους του ιδανικού νόμου για το φυσικό αέριο, ο οποίος αναφέρει ότι:

όπου n είναι η μάζα του αερίου, το T είναι η θερμοκρασία και το R είναι η σταθερά του αερίου. Ο ιδανικός νόμος για το φυσικό αέριο, όπως ο νόμος του Boyle, ισχύει τεχνικά μόνο για ένα ιδανικό αέριο, αν και οι δύο σχέσεις παρέχουν καλές προσεγγίσεις σε πραγματικές καταστάσεις. Ένα ιδανικό αέριο έχει δύο χαρακτηριστικά που δεν συμβαίνουν ποτέ στην πραγματική ζωή. Το πρώτο είναι ότι τα σωματίδια αερίου είναι 100 τοις εκατό ελαστικά, και όταν χτυπούν το ένα το άλλο ή τα τοιχώματα του δοχείου, δεν χάνουν καμία ενέργεια. Το δεύτερο χαρακτηριστικό είναι ότι τα ιδανικά σωματίδια αερίου δεν καταλαμβάνουν χώρο. Είναι ουσιαστικά μαθηματικά σημεία χωρίς επέκταση. Τα πραγματικά άτομα και τα μόρια είναι απεριόριστα μικρά, αλλά καταλαμβάνουν χώρο.

Μπορείτε να καταλάβετε πώς ένα αέριο ασκεί πίεση στους τοίχους ενός δοχείου μόνο εάν δεν υποθέσετε ότι δεν έχουν επέκταση στο διάστημα. Ένα σωματίδιο πραγματικού αερίου δεν έχει μόνο μάζα, έχει ενέργεια κίνησης ή κινητική ενέργεια. Όταν βάζετε έναν μεγάλο αριθμό τέτοιων σωματιδίων σε ένα δοχείο, την ενέργεια που μεταδίδουν στο τα τοιχώματα του δοχείου δημιουργούν πίεση στους τοίχους, και αυτή είναι η πίεση στην οποία ο νόμος του Boyle αναφέρεται. Υποθέτοντας ότι τα σωματίδια είναι κατά τα άλλα ιδανικά, θα συνεχίσουν να ασκούν την ίδια ποσότητα πίεσης στο τοίχους εφόσον η θερμοκρασία και ο συνολικός αριθμός σωματιδίων παραμένουν σταθερά και δεν τροποποιείτε το δοχείο. Με άλλα λόγια, εάν τα T, n και V είναι σταθερά, τότε ο ιδανικός νόμος αερίου μας λέει ότι το P είναι σταθερό.

Τώρα ας υποθέσουμε ότι αφήνετε τον όγκο του δοχείου να αυξηθεί. Τα σωματίδια έχουν μακρύτερα να περάσουν μέσα τους το ταξίδι στα τοιχώματα των εμπορευματοκιβωτίων και πριν φτάσετε σε αυτά είναι πιθανό να υποστούν περισσότερες συγκρούσεις με άλλους σωματίδια. Το συνολικό αποτέλεσμα είναι ότι λιγότερα σωματίδια χτυπούν τα τοιχώματα του δοχείου και εκείνα που το κάνουν έχουν λιγότερη κινητική ενέργεια. Αν και θα ήταν αδύνατο να παρακολουθήσετε μεμονωμένα σωματίδια σε ένα δοχείο, επειδή αριθμούνται στη σειρά των 10²³, μπορούμε να παρατηρήσουμε το συνολικό αποτέλεσμα. Αυτό το αποτέλεσμα, όπως καταγράφεται από τον Boyle και χιλιάδες ερευνητές μετά από αυτόν, είναι ότι η πίεση στους τοίχους μειώνεται.

Στην αντίστροφη κατάσταση, τα σωματίδια συγκεντρώνονται όταν μειώνετε την ένταση. Εφόσον η θερμοκρασία παραμένει σταθερή, έχουν την ίδια κινητική ενέργεια και περισσότερες από αυτές χτυπούν πιο συχνά τους τοίχους, έτσι η πίεση αυξάνεται.