Mengapa Tekanan Menurun saat Volume Meningkat?

Robert Boyle, seorang ahli kimia Irlandia yang hidup dari tahun 1627 hingga 1691, adalah orang pertama yang menghubungkan volume gas dalam ruang terbatas dengan volume yang ditempatinya. Dia menemukan bahwa jika Anda meningkatkan tekanan (P) pada sejumlah tetap gas pada suhu konstan, volume (V) berkurang sedemikian rupa sehingga produk tekanan dan volume tetap konstan. Jika Anda menurunkan tekanan, volume meningkat. Dalam istilah matematika:

dimana C adalah konstanta. Hubungan ini, yang dikenal sebagai Hukum Boyle, adalah salah satu landasan kimia. Mengapa ini terjadi? Jawaban biasa untuk pertanyaan itu melibatkan konseptualisasi gas sebagai kumpulan partikel mikroskopis yang bergerak bebas.

TL; DR (Terlalu Panjang; Tidak Membaca)

Tekanan gas bervariasi berbanding terbalik dengan volume karena partikel gas memiliki jumlah energi kinetik yang konstan pada suhu tetap.

Hukum Boyle adalah salah satu pendahulu dari hukum gas ideal, yang menyatakan bahwa:

di mana n adalah massa gas, T adalah suhu dan R adalah konstanta gas. Hukum gas ideal, seperti Hukum Boyle, secara teknis hanya berlaku untuk gas ideal, meskipun kedua hubungan memberikan perkiraan yang baik untuk situasi nyata. Gas ideal memiliki dua karakteristik yang tidak pernah terjadi dalam kehidupan nyata. Yang pertama adalah partikel-partikel gas itu 100 persen elastis, dan ketika mereka saling bertabrakan atau dinding wadah, mereka tidak kehilangan energi. Karakteristik kedua adalah partikel gas ideal tidak menempati ruang. Mereka pada dasarnya adalah poin matematika tanpa ekstensi. Atom dan molekul nyata sangat kecil, tetapi mereka menempati ruang.

Anda dapat memahami bagaimana gas memberikan tekanan pada dinding wadah hanya jika Anda tidak membuat asumsi bahwa mereka tidak memiliki ekstensi di ruang angkasa. Partikel gas nyata tidak hanya memiliki massa, tetapi juga memiliki energi gerak, atau energi kinetik. Ketika Anda menempatkan sejumlah besar partikel tersebut bersama-sama dalam sebuah wadah, energi yang mereka berikan ke dinding wadah menciptakan tekanan pada dinding, dan ini adalah tekanan yang Hukum Boyle mengacu. Dengan asumsi partikel menjadi ideal, mereka akan terus memberikan jumlah tekanan yang sama pada dinding selama suhu dan jumlah partikel tetap konstan, dan Anda tidak mengubah modify wadah. Dengan kata lain, jika T, n dan V konstan, maka hukum gas ideal menyatakan bahwa P konstan.

Sekarang misalkan Anda membiarkan volume wadah bertambah. Partikel-partikel harus masuk lebih jauh perjalanan ke dinding kontainer, dan sebelum mencapai mereka cenderung mengalami lebih banyak tabrakan dengan yang lain partikel. Hasil keseluruhannya adalah lebih sedikit partikel yang menabrak dinding wadah, dan partikel yang membuatnya memiliki energi kinetik lebih sedikit. Meskipun tidak mungkin untuk melacak partikel individu dalam wadah, karena jumlah mereka dalam urutan 10²³, kita dapat mengamati efek keseluruhan. Efek itu, sebagaimana dicatat oleh Boyle dan ribuan peneliti setelahnya, adalah bahwa tekanan pada dinding turun.

Dalam situasi sebaliknya, partikel menjadi berdesakan saat Anda mengecilkan volume. Selama suhu tetap konstan, mereka memiliki energi kinetik yang sama, dan lebih banyak dari mereka yang menabrak dinding lebih sering, sehingga tekanannya naik.