Waarom neemt de druk af naarmate het volume toeneemt?

Robert Boyle, een Ierse chemicus die leefde van 1627 tot 1691, was de eerste persoon die het volume van een gas in een besloten ruimte in verband bracht met het volume dat het inneemt. Hij ontdekte dat als je de druk (P) op een vaste hoeveelheid gas bij constante temperatuur verhoogt, het volume (V) zodanig afneemt dat het product van druk en volume constant blijft. Als u de druk verlaagt, neemt het volume toe. In wiskundige termen:

waarbij C een constante is. Deze relatie, bekend als de wet van Boyle, is een van de hoekstenen van de chemie. Waarom gebeurt dit? Het gebruikelijke antwoord op die vraag houdt in dat een gas wordt geconceptualiseerd als een verzameling vrij bewegende microscopische deeltjes.

TL; DR (te lang; niet gelezen)

De druk van een gas varieert omgekeerd met het volume omdat de gasdeeltjes een constante hoeveelheid kinetische energie hebben bij een vaste temperatuur.

De wet van Boyle is een van de voorlopers van de ideale gaswet, die stelt dat:

waarbij n de massa van het gas is, T de temperatuur is en R de gasconstante. De ideale gaswet, zoals de wet van Boyle, is technisch alleen waar voor een ideaal gas, hoewel beide relaties goede benaderingen bieden voor echte situaties. Een ideaal gas heeft twee kenmerken die in het echte leven nooit voorkomen. De eerste is dat de gasdeeltjes 100 procent elastisch zijn, en wanneer ze elkaar of de wanden van de container raken, verliezen ze geen energie. Het tweede kenmerk is dat ideale gasdeeltjes geen ruimte innemen. Het zijn in wezen wiskundige punten zonder extensie. Echte atomen en moleculen zijn oneindig klein, maar ze nemen wel ruimte in beslag.

Je kunt alleen begrijpen hoe een gas druk uitoefent op de wanden van een container als je niet aanneemt dat ze geen uitbreiding in de ruimte hebben. Een echt gasdeeltje heeft niet alleen massa, het heeft ook bewegingsenergie of kinetische energie. Wanneer je een groot aantal van dergelijke deeltjes samen in een container doet, geeft de energie die ze aan de wanden van de container zorgt voor druk op de wanden, en dit is de druk waarop de wet van Boyle verwijst. Ervan uitgaande dat de deeltjes verder ideaal zijn, zullen ze dezelfde hoeveelheid druk blijven uitoefenen op de muren zolang de temperatuur en het totale aantal deeltjes constant blijven en u de container. Met andere woorden, als T, n en V constant zijn, vertelt de ideale gaswet ons dat P constant is.

Stel nu dat u het volume van de container laat toenemen. De deeltjes moeten verder in hun reis naar de containerwanden, en voordat ze deze bereiken, lopen ze waarschijnlijk meer botsingen met andere deeltjes. Het algemene resultaat is dat minder deeltjes de wanden van de container raken en dat de deeltjes die ervoor zorgen minder kinetische energie hebben. Hoewel het onmogelijk zou zijn om individuele deeltjes in een container te volgen, omdat ze in de orde van 10. nummeren²³, kunnen we het totale effect waarnemen. Dat effect, zoals opgetekend door Boyle en duizenden onderzoekers na hem, is dat de druk op de muren afneemt.

In de omgekeerde situatie komen deeltjes samen wanneer u het volume verlaagt. Zolang de temperatuur constant blijft, hebben ze dezelfde kinetische energie, en meer van hen raken vaker de muren, dus de druk stijgt.