Miért csökken a nyomás a térfogat növekedésével?

Robert Boyle, ír vegyész, aki 1627 és 1691 között élt, elsőként viszonyította a zárt térben lévő gáz mennyiségét az általa elfoglalt mennyiséghez. Megállapította, hogy ha állandó hőmérsékleten fix mennyiségű gáznál növeli a nyomást (P), akkor a térfogat (V) úgy csökken, hogy a nyomás és a térfogat szorzata állandó marad. Ha csökkenti a nyomást, a hangerő nő. Matematikai szempontból:

ahol C állandó. Ez a Boyle-törvény néven ismert kapcsolat a kémia egyik alappillére. Miért történik ez? Erre a kérdésre a szokásos válasz magában foglalja a gáz, mint szabadon mozgó mikroszkopikus részecskék összegyűjtését.

TL; DR (túl hosszú; Nem olvastam)

A gáz nyomása fordítottan változik a térfogattól, mivel a gázrészecskék állandó hőmérsékleten állandó kinetikus energiával rendelkeznek.

Boyle törvénye az ideális gáztörvény egyik előfutára, amely kimondja, hogy:

ahol n a gáz tömege, T a hőmérséklet és R a gázállandó. Az ideális gáztörvény, hasonlóan Boyle törvényéhez, műszakilag csak az ideális gázra igaz, bár mindkét kapcsolat jó közelítést nyújt a valós helyzetekhez. Az ideális gáznak két olyan jellemzője van, amelyek soha nem fordulnak elő a való életben. Az első az, hogy a gázrészecskék 100% -ban rugalmasak, és amikor ütköznek egymással vagy a tartály falával, nem veszítenek energiát. A második jellemző, hogy az ideális gázrészecskék nem foglalnak helyet. Ezek lényegében matematikai pontok, kiterjesztés nélkül. A valódi atomok és molekulák végtelenül kicsiek, de elfoglalják a helyet.

Csak akkor értheti meg, hogy a gáz hogyan gyakorol nyomást a tartály falaira, ha nem feltételezi, hogy ezeknek nincs kiterjesztése az űrben. Egy valódi gázrészecskének nemcsak tömege van, hanem mozgási energiája vagy mozgási energiája is van. Ha nagy mennyiségű ilyen részecskét rak össze egy tartályba, az általuk átadott energia a tartály falai nyomást gyakorolnak a falakra, és ez a nyomás, amelyre Boyle törvénye vonatkozik utal. Feltételezve, hogy a részecskék egyébként ideálisak, továbbra is ugyanolyan nyomást gyakorolnak a falakat, amíg a hőmérséklet és a részecskék száma állandó marad, és nem módosítja a tartály. Más szavakkal, ha T, n és V állandó, akkor az ideális gáztörvény azt mondja, hogy P állandó.

Most tegyük fel, hogy megengedi a tartály térfogatának növekedését. A részecskék messzebbre mennek utat a konténer falaiig, és mielőtt elérné őket, valószínűleg több ütközést szenved el másokkal részecskék. Az összesített eredmény az, hogy kevesebb részecske ütközik a tartály falaiba, és azoknak, amelyeknek ez az oka, kevesebb a mozgási energiájuk. Bár lehetetlen lenne az egyes részecskéket egy tartályban nyomon követni, mert ezek 10-es nagyságrendben vannak²³, megfigyelhetjük az összhatást. Boyle és utána több ezer kutató rögzítette, hogy a falakra nehezedő nyomás csökken.

A fordított helyzetben a részecskék összezsúfolódnak, amikor csökkentik a hangerőt. Amíg a hőmérséklet állandó marad, ugyanolyan kinetikus energiájuk van, és közülük többen ütköznek a falakba, így a nyomás emelkedik.