Kodėl didėjant tūriui slėgis mažėja?

Airijos chemikas Robertas Boyle'as, gyvenęs 1627–1691 m., Buvo pirmasis asmuo, susiejantis dujų tūrį uždaroje erdvėje su jos užimtumu. Jis nustatė, kad padidinus slėgį (P) fiksuotam dujų kiekiui pastovioje temperatūroje, tūris (V) sumažėja taip, kad slėgio ir tūrio sandauga išlieka pastovi. Jei sumažinsite slėgį, tūris padidės. Matematiniu požiūriu:

kur C yra konstanta. Šis santykis, žinomas kaip Boyle'o dėsnis, yra vienas iš kertinių chemijos akmenų. Kodėl taip nutinka? Įprastas atsakymas į šį klausimą apima dujų, kaip laisvai judančių mikroskopinių dalelių rinkinio, konceptualizavimą.

TL; DR (per ilgai; Neskaiciau)

Dujų slėgis keičiasi atvirkščiai, atsižvelgiant į tūrį, nes dujų dalelės turi pastovų kinetinės energijos kiekį fiksuotoje temperatūroje.

Boyle'o įstatymas yra vienas iš idealių dujų įstatymų pirmtakų, kuriame teigiama, kad:

kur n yra dujų masė, T yra temperatūra ir R yra dujų konstanta. Idealus dujų įstatymas, kaip ir Boyle'o įstatymas, techniškai galioja tik idealioms dujoms, nors abu santykiai gerai atspindi realias situacijas. Idealios dujos turi dvi savybes, kurių niekada nebūna realiame gyvenime. Pirmasis yra tas, kad dujų dalelės yra 100 procentų elastingos, o atsitrenkusios viena į kitą ar į indo sienas nepraranda energijos. Antroji charakteristika yra ta, kad idealios dujų dalelės neužima vietos. Jie iš esmės yra matematiniai taškai, be pailgėjimo. Tikrieji atomai ir molekulės yra be galo maži, tačiau jie užima erdvę.

Galite suprasti, kaip dujos daro slėgį ant talpyklos sienų, tik tuo atveju, jei nepadarysite prielaidos, kad jų erdvėje nėra. Tikroji dujų dalelė turi ne tik masę, bet ir judėjimo energiją arba kinetinę energiją. Kai į indą įdedate daug tokių dalelių, energija, kurią jos suteikia konteinerio sienos sukuria spaudimą ant sienų, ir tai yra Boyle'o dėsnis nurodo. Darant prielaidą, kad dalelės yra kitaip idealios, jos ir toliau darys tą patį slėgį sienos, kol temperatūra ir bendras dalelių skaičius išlieka pastovūs, o jūs nemodifikuosite konteinerį. Kitaip tariant, jei T, n ir V yra pastovūs, tada idealus dujų įstatymas mums sako, kad P yra pastovus.

Dabar tarkime, kad jūs leidžiate didinti indo tūrį. Dalelės turi toliau kelionę iki konteinerio sienų, o prieš jas pasiekiant, greičiausiai patirs daugiau susidūrimų su kitais dalelės. Bendras rezultatas yra tas, kad mažiau dalelių patenka į konteinerio sienas, o tos, kurios ją daro, turi mažiau kinetinės energijos. Nors atskirų dalelių talpykloje būtų neįmanoma stebėti, nes jų skaičius yra 10²³, galime stebėti bendrą efektą. Šis efektas, kurį užfiksavo Boyle'as ir tūkstančiai tyrėjų po jo, yra tas, kad slėgis ant sienų sumažėja.

Atvirkštinėje situacijoje dalelės susikaupia, kai sumažinate garsumą. Kol temperatūra išlieka pastovi, jų kinetinė energija yra tokia pati, ir daugiau jų dažniau atsitrenkia į sienas, todėl slėgis kyla.