Īru ķīmiķis Roberts Boils, kurš dzīvoja no 1627. līdz 1691. gadam, bija pirmais, kurš saistīja gāzes tilpumu slēgtā telpā ar tā aizņemto tilpumu. Viņš atklāja, ka, palielinot spiedienu (P) uz fiksētu gāzes daudzumu nemainīgā temperatūrā, tilpums (V) samazinās tā, ka spiediena un tilpuma reizinājums paliek nemainīgs. Ja pazemina spiedienu, tilpums palielinās. Matemātiski:
PV = C
kur C ir konstante. Šīs attiecības, kas pazīstamas kā Boila likums, ir viens no ķīmijas stūrakmeņiem. Kāpēc tas notiek? Parastā atbilde uz šo jautājumu ir gāzes konceptualizēšana kā brīvi kustīgu mikroskopisku daļiņu kolekcija.
TL; DR (pārāk ilgi; Nelasīju)
Gāzes spiediens mainās apgriezti ar tilpumu, jo gāzes daļiņām ir nemainīgs kinētiskās enerģijas daudzums fiksētā temperatūrā.
Ideāla gāze
Boila likums ir viens no ideālā gāzes likuma priekšgājējiem, kurā teikts, ka:
PV = nRT
kur n ir gāzes masa, T ir temperatūra un R ir gāzes konstante. Ideāls gāzes likums, tāpat kā Boila likums, tehniski attiecas tikai uz ideālu gāzi, lai gan abas attiecības nodrošina labu tuvinājumu reālajām situācijām. Ideālai gāzei ir divas īpašības, kas nekad dzīvē nerodas. Pirmais ir tas, ka gāzes daļiņas ir simtprocentīgi elastīgas, un, sitot viena otrai vai tvertnes sienām, tās nezaudē enerģiju. Otra iezīme ir tā, ka ideālās gāzes daļiņas neaizņem vietu. Būtībā tie ir matemātiski punkti bez pagarinājuma. Īstie atomi un molekulas ir bezgalīgi mazi, taču tie tomēr aizņem vietu.
Kas rada spiedienu?
Jūs varat saprast, kā gāze izdara spiedienu uz tvertnes sienām, tikai tad, ja nepieņemat, ka tām telpā nav pagarinājuma. Īstai gāzes daļiņai ir ne tikai masa, bet arī kustības enerģija jeb kinētiskā enerģija. Kad jūs ievietojat lielu daudzumu šādu daļiņu traukā, enerģija, ko tie piešķir konteinera sienas rada spiedienu uz sienām, un tas ir spiediens, uz kuru Boila likums atsaucas. Pieņemot, ka daļiņas ir citādi ideālas, tās turpinās izdarīt tādu pašu spiedienu uz sienas, kamēr temperatūra un kopējais daļiņu skaits paliek nemainīgi, un jūs to nemaināt konteiners. Citiem vārdiem sakot, ja T, n un V ir nemainīgi, tad ideālais gāzes likums mums saka, ka P ir nemainīgs.
Mainiet skaļumu un maināt spiedienu
Tagad pieņemsim, ka jūs ļaujat palielināties trauka tilpumam. Daļiņām ir vēl tālāk līdz konteinera sienām, un pirms to sasniegšanas, iespējams, cieš vairāk sadursmju ar citiem daļiņas. Kopējais rezultāts ir tāds, ka mazāk daļiņu ietriecas konteinera sienās, un tām, kas to padara, ir mazāka kinētiskā enerģija. Kaut arī atsevišķas daļiņas izsekot traukā nebūtu iespējams, jo to skaits ir 1023, mēs varam novērot kopējo efektu. Šis efekts, kā to ir ierakstījis Boils un tūkstošiem pētnieku pēc viņa, ir tāds, ka spiediens uz sienām samazinās.
Apgrieztā situācijā, samazinot skaļumu, daļiņas sastrēgst. Kamēr temperatūra paliek nemainīga, tām ir vienāda kinētiskā enerģija, un vairāk no tām biežāk ietriecas sienās, tāpēc spiediens palielinās.