Miksi paine vähenee äänenvoimakkuuden kasvaessa?

Irlantilainen kemisti Robert Boyle, joka asui vuosina 1627-1691, oli ensimmäinen henkilö, joka suhteutti suljetussa tilassa olevan kaasun tilavuuden sen käyttämään tilavuuteen. Hän havaitsi, että jos nostat paineita (P) kiinteään määrään kaasua vakiolämpötilassa, tilavuus (V) pienenee siten, että paineen ja tilavuuden tulo pysyy vakiona. Jos lasket painetta, äänenvoimakkuus kasvaa. Matemaattisesti:

missä C on vakio. Tämä suhde, joka tunnetaan nimellä Boylen laki, on yksi kemian kulmakivistä. Miksi näin tapahtuu? Tavallinen vastaus tähän kysymykseen käsittää kaasun käsityksen vapaasti liikkuvien mikroskooppisten hiukkasten kokoelmasta.

TL; DR (liian pitkä; Ei lukenut)

Kaasun paine vaihtelee käänteisesti tilavuuden mukaan, koska kaasupartikkeleilla on vakio määrä kineettistä energiaa kiinteässä lämpötilassa.

Boylen laki on yksi ihanteellisen kaasulain edeltäjistä, jonka mukaan:

missä n on kaasun massa, T on lämpötila ja R on kaasuvakio. Ihanteellinen kaasulaki, kuten Boylen laki, on teknisesti totta vain ihanteelliselle kaasulle, vaikka molemmat suhteet tarjoavat hyvän likiarvon todellisiin tilanteisiin. Ihanteellisella kaasulla on kaksi ominaisuutta, joita ei koskaan esiinny tosielämässä. Ensimmäinen on se, että kaasupartikkelit ovat 100-prosenttisesti joustavia, ja kun ne osuvat toisiinsa tai astian seiniin, ne eivät menetä energiaa. Toinen ominaisuus on, että ihanteelliset kaasupartikkelit eivät vie tilaa. Ne ovat olennaisesti matemaattisia pisteitä, joilla ei ole laajennusta. Todelliset atomit ja molekyylit ovat äärettömän pieniä, mutta ne vievät tilaa.

Voit ymmärtää, miten kaasu painostaa säiliön seinämiä vain, jos et aio olettaa, että niillä ei ole avaruudessa jatkoa. Todellisella kaasupartikkelilla ei ole vain massa, vaan siinä on liike- tai liike-energiaa. Kun laitat suuren määrän tällaisia ​​hiukkasia yhteen astiaan, niiden tuottama energia astian seinät aiheuttavat painetta seinille, ja tämä on paine, johon Boylen laki viittaa. Olettaen, että hiukkaset ovat muuten ihanteelliset, ne jatkavat edelleen saman määrän painetta seinät niin kauan kuin lämpötila ja hiukkasten kokonaismäärä pysyvät vakiona, etkä muokkaa astiaan. Toisin sanoen, jos T, n ja V ovat vakioita, niin ihanteellinen kaasulaki kertoo meille, että P on vakio.

Oletetaan nyt, että annat astian tilavuuden kasvaa. Hiukkasilla on kauempana mennä sisään matkan konttien seinämiin, ja ennen niiden saavuttamista kärsivät todennäköisesti enemmän törmäyksiä muiden kanssa hiukkasia. Kokonaistulos on, että vähemmän hiukkasia osuu astian seinämiin ja niillä, joilla se on, on vähemmän kineettistä energiaa. Vaikka yksittäisten hiukkasten seuraaminen säiliössä olisi mahdotonta, koska niiden määrä on luokkaa 10²³, voimme tarkkailla kokonaisvaikutusta. Vaikutus, jonka Boyle ja tuhannet hänen jälkeensä olleet tutkijat ovat todenneet, on seinien paineen lasku.

Käänteisessä tilanteessa hiukkaset tungostuvat yhteen, kun pienennät äänenvoimakkuutta. Niin kauan kuin lämpötila pysyy vakiona, niillä on sama kineettinen energia, ja useampi niistä osuu seiniin useammin, joten paine nousee.