¿Por qué disminuye la presión a medida que aumenta el volumen?

Robert Boyle, un químico irlandés que vivió entre 1627 y 1691, fue la primera persona en relacionar el volumen de un gas en un espacio confinado con el volumen que ocupa. Descubrió que si aumenta la presión (P) en una cantidad fija de gas a una temperatura constante, el volumen (V) disminuye de tal manera que el producto de la presión y el volumen permanece constante. Si baja la presión, aumenta el volumen. En términos matemáticos:

donde C es una constante. Esta relación, conocida como Ley de Boyle, es una de las piedras angulares de la química. ¿Por qué pasó esto? La respuesta habitual a esa pregunta implica conceptualizar un gas como una colección de partículas microscópicas que se mueven libremente.

TL; DR (demasiado largo; No leí)

La presión de un gas varía inversamente con el volumen porque las partículas de gas tienen una cantidad constante de energía cinética a una temperatura fija.

La Ley de Boyle es uno de los precursores de la ley de los gases ideales, que establece que:

donde n es la masa del gas, T es la temperatura y R es la constante del gas. La ley de los gases ideales, como la ley de Boyle, es técnicamente válida solo para un gas ideal, aunque ambas relaciones proporcionan buenas aproximaciones a situaciones reales. Un gas ideal tiene dos características que nunca ocurren en la vida real. La primera es que las partículas de gas son 100% elásticas y cuando chocan entre sí o contra las paredes del recipiente, no pierden energía. La segunda característica es que las partículas de gas ideal no ocupan espacio. Son esencialmente puntos matemáticos sin extensión. Los átomos y moléculas reales son infinitesimalmente pequeños, pero ocupan espacio.

Puede comprender cómo un gas ejerce presión sobre las paredes de un recipiente solo si no supone que no tienen extensión en el espacio. Una partícula de gas real no solo tiene masa, tiene energía de movimiento o energía cinética. Cuando pones una gran cantidad de tales partículas juntas en un recipiente, la energía que imparten al Las paredes del recipiente crean presión en las paredes, y esta es la presión a la que se aplica la Ley de Boyle. se refiere. Suponiendo que las partículas sean ideales de otra manera, continuarán ejerciendo la misma cantidad de presión sobre el paredes siempre que la temperatura y el número total de partículas permanezcan constantes, y no modifique la envase. En otras palabras, si T, n y V son constantes, entonces la ley de los gases ideales nos dice que P es constante.

Ahora suponga que permite que aumente el volumen del recipiente.Las partículas tienen que ir más lejos en su viaje a las paredes del contenedor, y antes de llegar a ellos es probable que sufra más colisiones con otros partículas. El resultado general es que menos partículas golpean las paredes del recipiente y las que lo hacen tienen menos energía cinética. Aunque sería imposible rastrear partículas individuales en un contenedor, porque su número es del orden de 10²³, podemos observar el efecto general. Ese efecto, según lo registrado por Boyle y miles de investigadores después de él, es que la presión en las paredes disminuye.

En la situación inversa, las partículas se apiñan cuando disminuye el volumen. Mientras la temperatura se mantenga constante, tienen la misma energía cinética y más de ellas golpean las paredes con más frecuencia, por lo que la presión aumenta.