Perché la pressione diminuisce all'aumentare del volume?

Robert Boyle, un chimico irlandese vissuto dal 1627 al 1691, fu il primo a mettere in relazione il volume di un gas in uno spazio ristretto con il volume che occupa. Scoprì che se si aumenta la pressione (P) su una quantità fissa di gas a temperatura costante, il volume (V) diminuisce in modo tale che il prodotto tra pressione e volume rimanga costante. Se abbassi la pressione, il volume aumenta. In termini matematici:

dove C è una costante. Questa relazione, nota come Legge di Boyle, è uno dei capisaldi della chimica. Perché questo accade? La solita risposta a questa domanda implica concettualizzare un gas come un insieme di particelle microscopiche che si muovono liberamente.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

La pressione di un gas varia inversamente al volume perché le particelle di gas hanno una quantità costante di energia cinetica a una temperatura fissa.

La legge di Boyle è uno dei precursori della legge dei gas ideali, che afferma che:

dove n è la massa del gas, T è la temperatura e R è la costante del gas. La legge del gas ideale, come la legge di Boyle, è tecnicamente vera solo per un gas ideale, sebbene entrambe le relazioni forniscano buone approssimazioni a situazioni reali. Un gas ideale ha due caratteristiche che non si verificano mai nella vita reale. Il primo è che le particelle di gas sono elastiche al 100% e quando si scontrano tra loro o contro le pareti del contenitore, non perdono energia. La seconda caratteristica è che le particelle di gas ideale non occupano spazio. Sono essenzialmente punti matematici senza estensione. Gli atomi e le molecole reali sono infinitamente piccoli, ma occupano spazio.

Si può capire come un gas eserciti pressione sulle pareti di un contenitore solo se non si assume che non abbiano estensione nello spazio. Una vera particella di gas non ha solo massa, ha energia di movimento o energia cinetica. Quando metti insieme un gran numero di tali particelle in un contenitore, l'energia che impartiscono al pareti del contenitore crea pressione sulle pareti, e questa è la pressione a cui la legge di Boyle si riferisce. Supponendo che le particelle siano altrimenti ideali, continueranno a esercitare la stessa quantità di pressione sul pareti fintanto che la temperatura e il numero totale di particelle rimangono costanti e non si modifica il contenitore. In altre parole, se T, n e V sono costanti, allora la legge dei gas ideali ci dice che P è costante.

Supponiamo ora di lasciare che il volume del contenitore aumenti. Le particelle devono andare più lontano nel loro viaggio verso le pareti del container, e prima di raggiungerle rischiano di subire ulteriori collisioni con altri with particelle. Il risultato complessivo è che meno particelle colpiscono le pareti del contenitore e quelle che lo compongono hanno meno energia cinetica. Sebbene sarebbe impossibile tracciare le singole particelle in un contenitore, perché numerano nell'ordine di 10²³, possiamo osservare l'effetto complessivo. Questo effetto, come registrato da Boyle e da migliaia di ricercatori dopo di lui, è che la pressione sui muri diminuisce.

Nella situazione inversa, le particelle si ammucchiano quando si riduce il volume. Finché la temperatura rimane costante, hanno la stessa energia cinetica e più colpiscono le pareti più frequentemente, quindi la pressione aumenta.