आयतन बढ़ने पर दाब कम क्यों होता है?

1627 से 1691 तक रहने वाले एक आयरिश रसायनज्ञ रॉबर्ट बॉयल, एक सीमित स्थान में गैस की मात्रा को उसके कब्जे वाले आयतन से संबंधित करने वाले पहले व्यक्ति थे। उन्होंने पाया कि यदि आप स्थिर तापमान पर गैस की एक निश्चित मात्रा पर दबाव (P) बढ़ाते हैं, तो आयतन (V) इस तरह घट जाता है कि दबाव और आयतन का गुणनफल स्थिर रहता है। यदि आप दबाव कम करते हैं, तो मात्रा बढ़ जाती है। गणितीय शब्दों में:

जहां सी स्थिर है। बॉयल के नियम के रूप में जाना जाने वाला यह संबंध रसायन विज्ञान की आधारशिलाओं में से एक है। क्यों होता है ऐसा? उस प्रश्न के सामान्य उत्तर में स्वतंत्र रूप से चलने वाले सूक्ष्म कणों के संग्रह के रूप में गैस की अवधारणा शामिल है।

टीएल; डीआर (बहुत लंबा; पढ़ा नहीं)

गैस का दबाव आयतन के साथ व्युत्क्रमानुपाती होता है क्योंकि गैस के कणों में एक निश्चित तापमान पर गतिज ऊर्जा की मात्रा स्थिर होती है।

बॉयल का नियम आदर्श गैस कानून के अग्रदूतों में से एक है, जिसमें कहा गया है कि:

जहां n गैस का द्रव्यमान है, T तापमान है और R गैस स्थिरांक है। आदर्श गैस कानून, बॉयल के नियम की तरह, तकनीकी रूप से केवल एक आदर्श गैस के लिए ही सही है, हालांकि दोनों रिश्ते वास्तविक स्थितियों के लिए अच्छे अनुमान प्रदान करते हैं। एक आदर्श गैस में दो विशेषताएं होती हैं जो वास्तविक जीवन में कभी नहीं होती हैं। पहला यह है कि गैस के कण 100 प्रतिशत लोचदार होते हैं, और जब वे एक दूसरे से या कंटेनर की दीवारों से टकराते हैं, तो वे कोई ऊर्जा नहीं खोते हैं। दूसरी विशेषता यह है कि आदर्श गैस के कण कोई स्थान नहीं घेरते। वे अनिवार्य रूप से गणितीय बिंदु हैं जिनका कोई विस्तार नहीं है। वास्तविक परमाणु और अणु असीम रूप से छोटे होते हैं, लेकिन वे स्थान घेरते हैं।

आप समझ सकते हैं कि कैसे एक गैस एक कंटेनर की दीवारों पर दबाव डालती है, यदि आप यह धारणा नहीं बनाते हैं कि अंतरिक्ष में उनका कोई विस्तार नहीं है। एक वास्तविक गैस कण में न केवल द्रव्यमान होता है, इसमें गति की ऊर्जा या गतिज ऊर्जा होती है। जब आप बड़ी संख्या में ऐसे कणों को एक साथ एक कंटेनर में रखते हैं, तो वे ऊर्जा प्रदान करते हैं कंटेनर की दीवारें दीवारों पर दबाव बनाती हैं, और यही वह दबाव है जिस पर बॉयल का नियम है संदर्भित करता है। कणों को अन्यथा आदर्श मानते हुए, वे समान मात्रा में दबाव डालना जारी रखेंगे जब तक तापमान और कणों की कुल संख्या स्थिर रहती है, तब तक दीवारें, और आप संशोधित नहीं करते हैं कंटेनर। दूसरे शब्दों में, यदि T, n और V स्थिर हैं, तो आदर्श गैस नियम हमें बताता है कि P स्थिर है।

अब मान लीजिए कि आप कंटेनर के आयतन को बढ़ने देते हैं, कणों को अपने अंदर जाने के लिए और आगे जाना है कंटेनर की दीवारों के लिए यात्रा, और उन तक पहुंचने से पहले दूसरों के साथ अधिक टकराव होने की संभावना है कण। समग्र परिणाम यह है कि कम कण कंटेनर की दीवारों से टकराते हैं, और जो इसे बनाते हैं उनमें गतिज ऊर्जा कम होती है। हालांकि एक कंटेनर में अलग-अलग कणों को ट्रैक करना असंभव होगा, क्योंकि उनकी संख्या 10. के क्रम में होती है²³, हम समग्र प्रभाव देख सकते हैं। वह प्रभाव, जैसा कि बॉयल और उसके बाद के हजारों शोधकर्ताओं ने दर्ज किया है, यह है कि दीवारों पर दबाव कम हो जाता है।

विपरीत स्थिति में, जब आप आयतन कम करते हैं तो कण एक साथ जमा हो जाते हैं। जब तक तापमान स्थिर रहता है, उनके पास समान गतिज ऊर्जा होती है, और उनमें से अधिक बार दीवारों से टकराते हैं, इसलिए दबाव बढ़ जाता है।