מדוע הלחץ פוחת ככל שעולה הנפח?

רוברט בויל, כימאי אירי שחי בין השנים 1627 עד 1691, היה האדם הראשון שייחס את נפח הגז בחלל סגור לנפח שהוא תופס. הוא מצא שאם מגבירים את הלחץ (P) על כמות קבועה של גז בטמפרטורה קבועה, הנפח (V) יורד באופן שתוצר הלחץ והנפח יישאר קבוע. אם אתה מוריד את הלחץ, הנפח עולה. במונחים מתמטיים:

כאשר C הוא קבוע. מערכת יחסים זו, המכונה חוק בויל, היא אחת מאבני היסוד של הכימיה. למה זה קרה? התשובה המקובלת לשאלה זו כוללת מושג גז כאוסף של חלקיקים מיקרוסקופיים הנעים בחופשיות.

TL; DR (ארוך מדי; לא קרא)

הלחץ של גז משתנה הפוך לנפח מכיוון שלחלקיקי הגז יש כמות קבועה של אנרגיה קינטית בטמפרטורה קבועה.

חוק בויל הוא אחד מקדימי חוק הגז האידיאלי, הקובע כי:

כאשר n הוא מסת הגז, T הוא הטמפרטורה ו- R הוא קבוע הגז. חוק הגז האידיאלי, כמו חוק בויל, נכון מבחינה טכנית רק לגבי גז אידיאלי, אם כי שני היחסים מספקים קירובים טובים למצבים אמיתיים. לגז אידיאלי שני מאפיינים שאף פעם אינם מתרחשים בחיים האמיתיים. הראשונה היא שחלקיקי הגז הם אלסטיים במאה אחוז, וכאשר הם פוגעים זה בזה או בדפנות המכולה, הם לא מאבדים שום אנרגיה. המאפיין השני הוא שחלקיקי גז אידיאליים אינם תופסים מקום. מדובר בעצם בנקודות מתמטיות ללא הרחבה. אטומים ומולקולות אמיתיות הם קטנים לאין ערוך, אך הם תופסים מקום.

אתה יכול להבין כיצד גז מפעיל לחץ על דפנות המכולה רק אם אינך מניח שאין להם הרחבה במרחב. לחלקיק גז אמיתי יש לא רק מסה, יש לו אנרגיית תנועה או אנרגיה קינטית. כשאתה מכניס מספר רב של חלקיקים כאלה למיכל, האנרגיה שהם מעניקים ל קירות המכולה יוצרים לחץ על הקירות וזה הלחץ שאליו חוק בויל מתייחס. בהנחה שהחלקיקים יהיו אידיאליים אחרת, הם ימשיכו להפעיל את אותה לחץ על ה- קירות כל עוד הטמפרטורה ומספר החלקיקים הכולל נשארים קבועים, ואינך משנה את מְכוֹלָה. במילים אחרות, אם T, n ו- V הם קבועים, אז חוק הגז האידיאלי אומר לנו ש- P הוא קבוע.

עכשיו נניח שאתה מאפשר להגדיל את נפח המכולה. לחלקיקים יש יותר רחוק מסע אל קירות המכולה, ולפני שמגיעים אליהם עלול לסבול מהתנגשויות נוספות עם אחרים חלקיקים. התוצאה הכוללת היא שפחות חלקיקים פוגעים בדפנות המיכל, ואלו שגורמים לו להיות בעלי אנרגיה קינטית פחות. למרות שזה יהיה בלתי אפשרי לעקוב אחר חלקיקים בודדים במיכל, מכיוון שהם מספרים בסדר גודל של 10²³, אנו יכולים לצפות בהשפעה הכוללת. האפקט הזה, כפי שרשם בויל ואלפי חוקרים אחריו, הוא שהלחץ על הקירות יורד.

במצב הפוך, חלקיקים נהיים צפופים כאשר אתה מקטין את עוצמת הקול. כל עוד הטמפרטורה נשארת קבועה, יש להם את אותה אנרגיה קינטית, ויותר מהם פוגעים בקירות בתדירות גבוהה יותר, כך שהלחץ עולה.