体積が増加すると圧力が低下するのはなぜですか？

1627年から1691年まで生きたアイルランドの化学者であるロバートボイルは、限られた空間内のガスの体積をそれが占める体積に関連付けた最初の人物でした。 彼は、一定の温度で一定量のガスの圧力（P）を上げると、圧力と体積の積が一定に保たれるように体積（V）が減少することを発見しました。 圧力を下げると、音量が大きくなります。 数学的に：

ここで、Cは定数です。 ボイルの法則として知られるこの関係は、化学の基礎の1つです。 なぜこれが起こるのですか？ その質問に対する通常の答えは、自由に動く微細な粒子の集まりとしてガスを概念化することを含みます。

TL; DR（長すぎる; 読んでいない）

ガス粒子は一定の温度で一定量の運動エネルギーを持っているため、ガスの圧力は体積に反比例して変化します。

ボイルの法則は、理想気体の法則の前兆の1つであり、次のように述べています。

ここで、nはガスの質量、Tは温度、Rはガス定数です。 ボイルの法則のような理想気体の法則は、技術的には理想気体にのみ当てはまりますが、どちらの関係も実際の状況に適切に近似します。 理想気体には、実生活では決して発生しない2つの特性があります。 1つ目は、ガス粒子が100％弾性であり、互いに衝突したり、コンテナの壁に衝突したりしても、エネルギーが失われないことです。 2つ目の特徴は、理想気体粒子が空間を占有しないことです。 それらは本質的に拡張のない数学的な点です。 実際の原子や分子は非常に小さいですが、それらは空間を占有します。

ガスがコンテナの壁にどのように圧力をかけるかを理解できるのは、それらが空間に広がりを持たないと仮定しない場合のみです。 実在気体粒子は、質量だけでなく、運動エネルギーや運動エネルギーも持っています。 そのような粒子を多数一緒に容器に入れると、それらが与えるエネルギーは コンテナの壁は壁に圧力をかけます、そしてこれはボイルの法則が受ける圧力です 参照します。 粒子が他の点では理想的であると仮定すると、粒子は同じ量の圧力を 温度と粒子の総数が一定であり、変更しない限り、壁 コンテナ。 言い換えると、T、n、Vが一定の場合、理想気体の法則はPが一定であることを示しています。

ここで、コンテナのボリュームを増やすことができると仮定します。パーティクルはさらにその中に入る必要があります。 コンテナの壁への旅、そしてそれらに到達する前に他とのより多くの衝突に苦しむ可能性があります 粒子。 全体的な結果として、コンテナの壁に当たる粒子が少なくなり、コンテナの運動エネルギーが低下します。 コンテナ内の個々の粒子を追跡することは不可能ですが、それらの数は10のオーダーであるためです。

逆の状況では、ボリュームを減らすとパーティクルが密集します。 温度が一定である限り、それらは同じ運動エネルギーを持ち、より多くのそれらがより頻繁に壁にぶつかるので、圧力が上昇します。