რატომ იკლებს წნევა მოცულობის მატებასთან ერთად?

რობერტ ბოილი, ირლანდიელი ქიმიკოსი, რომელიც ცხოვრობდა 1627 წლიდან 1691 წლამდე, იყო პირველი ადამიანი, ვინც აკავშირებდა გაზის მოცულობას შეზღუდულ სივრცეში მის დაკავებულ მოცულობასთან. მან დაადგინა, რომ თუ თქვენ გაზრდით წნევას (P) გაზის ფიქსირებულ რაოდენობაზე მუდმივ ტემპერატურაზე, მოცულობა (V) იკლებს ისე, რომ წნევის და მოცულობის პროდუქტი მუდმივი რჩება. თუ თქვენ შეამცირებთ წნევას, მოცულობა იზრდება. მათემატიკური თვალსაზრისით:

სადაც C მუდმივია. ეს ურთიერთობა, რომელიც ბოილის კანონის სახელითაა ცნობილი, ქიმიის ერთ-ერთი ქვაკუთხედია. რატომ ხდება ეს? ამ კითხვაზე ჩვეულებრივი პასუხი მოიცავს აირის კონცეპტუალიზაციას, როგორც თავისუფლად მოძრავი მიკროსკოპული ნაწილაკების კრებულს.

TL; DR (ძალიან გრძელია; არ წავიკითხე)

გაზზე წნევა ინვერსიულად იცვლება მოცულობით, რადგან აირის ნაწილაკებს აქვთ ფიქსირებულ ტემპერატურაზე კინეტიკური ენერგიის მუდმივი რაოდენობა.

ბოილის კანონი იდეალური გაზის კანონის ერთ-ერთი წინაპირობაა, სადაც ნათქვამია:

სადაც n არის გაზის მასა, T არის ტემპერატურა და R არის გაზის მუდმივი. გაზის იდეალური კანონი, ისევე როგორც ბოილის კანონი, ტექნიკურად შეესაბამება მხოლოდ იდეალურ გაზს, თუმცა ორივე ურთიერთობა იძლევა რეალურ სიტუაციებთან კარგ მიახლოებას. იდეალურ გაზს აქვს ორი მახასიათებელი, რომლებიც რეალურ ცხოვრებაში არასდროს გვხვდება. პირველი ის არის, რომ გაზის ნაწილაკები 100 პროცენტით ელასტიურია და როდესაც ისინი ერთმანეთს ან კონტეინერის კედლებს ეჯახებიან, ისინი ენერგიას არ კარგავენ. მეორე მახასიათებელია ის, რომ გაზის იდეალური ნაწილაკები არ იკავებენ ადგილს. ისინი არსებითად მათემატიკური წერტილებია, გაფართოების გარეშე. ნამდვილი ატომები და მოლეკულები უსასრულოდ მცირეა, მაგრამ ისინი სივრცეს იკავებენ.

თქვენ შეგიძლიათ გაიგოთ, თუ როგორ ახდენს გაზს ზეწოლას კონტეინერის კედლებზე მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ არ ჩათვლით დაშვებას, რომ მათ სივრცეში გაფართოება არ აქვთ. გაზის ნამდვილ ნაწილაკს არა მხოლოდ მასა აქვს, მას აქვს მოძრაობის ენერგია, ან კინეტიკური ენერგია. როდესაც ასეთი ნაწილაკების დიდ რაოდენობას ათავსებთ ჭურჭელში, მათ ენერგია მიაქვთ კონტეინერის კედლები ქმნის ზეწოლას კედლებზე და ეს არის ზეწოლა, რომელსაც ბოილის კანონი ახდენს ეხება. თუ ჩავთვლით, რომ ნაწილაკები სხვაგვარად იდეალურია, ისინი გააგრძელებენ იგივე რაოდენობის ზეწოლას კედლები, სანამ ტემპერატურა და ნაწილაკების საერთო რაოდენობა მუდმივად რჩება და თქვენ არ შეცვლით მას კონტეინერი. სხვა სიტყვებით რომ ვთქვათ, თუ T, n და V მუდმივია, მაშინ გაზის იდეალური კანონი გვეუბნება, რომ P მუდმივია.

ახლა ჩათვალეთ, რომ ჭურჭლის მოცულობის გაზრდის საშუალებას გაძლევთ ნაწილაკები უფრო შორს გაიზარდონ გამგზავრება კონტეინერების კედლებამდე და მათ მიღებამდე უფრო მეტი შეჯახება ექნება სხვასთან ნაწილაკები. საერთო შედეგია ის, რომ ნაკლები ნაწილაკები მოხვდება კონტეინერის კედლებზე და მათ, ვისაც მას ნაკლები კინეტიკური ენერგია აქვს. მართალია შეუძლებელი იქნება ცალკეული ნაწილაკების თვალის მიდევნება ჭურჭელში, რადგან მათი რიცხვი 10-ის რიგით არის²³, ჩვენ შეგვიძლია დავაკვირდეთ საერთო ეფექტს. ბოილმა და მის შემდეგ ათასობით მკვლევარმა დააფიქსირა, რომ კედლებზე ზეწოლა იკლებს.

საპირისპირო სიტუაციაში, ნაწილაკები იკრიბება, როდესაც მოცულობას ამცირებთ. სანამ ტემპერატურა მუდმივი რჩება, მათ აქვთ იგივე კინეტიკური ენერგია და უფრო მეტი მათგანი კედლებზე უფრო ხშირად ხვდება, ამიტომ წნევა იზრდება.