Robert Boyle, un chimiste irlandais qui a vécu de 1627 à 1691, a été le premier à relier le volume d'un gaz dans un espace confiné au volume qu'il occupe. Il a découvert que si vous augmentez la pression (P) sur une quantité fixe de gaz à température constante, le volume (V) diminue de telle sorte que le produit de la pression et du volume reste constant. Si vous baissez la pression, le volume augmente. En termes mathématiques :
PV=C
où C est une constante. Cette relation, connue sous le nom de loi de Boyle, est l'une des pierres angulaires de la chimie. Pourquoi cela arrive-t-il? La réponse habituelle à cette question consiste à conceptualiser un gaz comme un ensemble de particules microscopiques en mouvement libre.
TL; DR (trop long; n'a pas lu)
La pression d'un gaz varie inversement avec le volume car les particules de gaz ont une quantité constante d'énergie cinétique à une température fixe.
Un gaz idéal
La loi de Boyle est l'un des précurseurs de la loi des gaz parfaits, qui stipule que :
PV=nRT
où n est la masse du gaz, T est la température et R est la constante du gaz. La loi des gaz parfaits, comme la loi de Boyle, n'est techniquement vraie que pour un gaz parfait, bien que les deux relations fournissent de bonnes approximations des situations réelles. Un gaz parfait a deux caractéristiques qui ne se produisent jamais dans la vie réelle. La première est que les particules de gaz sont 100 pour cent élastiques, et lorsqu'elles se heurtent ou se heurtent aux parois du conteneur, elles ne perdent aucune énergie. La deuxième caractéristique est que les particules de gaz parfait n'occupent pas d'espace. Ce sont essentiellement des points mathématiques sans extension. Les atomes et les molécules réels sont infiniment petits, mais ils occupent l'espace.
Qu'est-ce qui crée la pression ?
Vous ne pouvez comprendre comment un gaz exerce une pression sur les parois d'un conteneur que si vous ne faites pas l'hypothèse qu'elles n'ont pas d'extension dans l'espace. Une vraie particule de gaz n'a pas seulement une masse, elle a une énergie de mouvement, ou énergie cinétique. Lorsque vous rassemblez un grand nombre de ces particules dans un récipient, l'énergie qu'elles transmettent au parois du conteneur crée une pression sur les parois, et c'est la pression à laquelle la loi de Boyle fait référence. En supposant que les particules soient idéales par ailleurs, elles continueront à exercer la même pression sur le parois tant que la température et le nombre total de particules restent constants et que vous ne modifiez pas le récipient. En d'autres termes, si T, n et V sont constants, alors la loi des gaz parfaits nous dit que P est constant.
Modifiez le volume et vous modifiez la pression
Supposons maintenant que vous permettez au volume du conteneur d'augmenter Les particules ont plus de chemin à parcourir dans leur voyage vers les parois du conteneur, et avant de les atteindre sont susceptibles de subir plus de collisions avec d'autres particules. Le résultat global est que moins de particules frappent les parois du conteneur, et celles qui le composent ont moins d'énergie cinétique. Bien qu'il soit impossible de suivre les particules individuelles dans un conteneur, car leur nombre est de l'ordre de 1023, nous pouvons observer l'effet global. Cet effet, comme enregistré par Boyle et des milliers de chercheurs après lui, est que la pression sur les murs diminue.
Dans la situation inverse, les particules s'entassent lorsque vous diminuez le volume. Tant que la température reste constante, ils ont la même énergie cinétique, et plus d'entre eux frappent les parois plus fréquemment, donc la pression augmente.