Hvorfor synker trykket når volumet øker?

Robert Boyle, en irsk kjemiker som levde fra 1627 til 1691, var den første personen som relaterte volumet av gass i et begrenset rom med volumet det opptar. Han fant ut at hvis du øker trykket (P) på en fast mengde gass ved konstant temperatur, reduseres volumet (V) på en slik måte at produktet av trykk og volum forblir konstant. Senker du trykket øker volumet. I matematiske termer:

hvor C er en konstant. Dette forholdet, kjent som Boyles lov, er en av hjørnesteinene i kjemi. Hvorfor skjer dette? Det vanlige svaret på det spørsmålet innebærer å konseptualisere en gass som en samling av fritt bevegelige mikroskopiske partikler.

TL; DR (for lang; Leste ikke)

Trykket til en gass varierer omvendt med volumet fordi gasspartiklene har en konstant mengde kinetisk energi ved en fast temperatur.

Boyles lov er en av forløperne til den ideelle gassloven, som sier at:

hvor n er massen til gassen, T er temperaturen og R er gasskonstanten. Den ideelle gassloven, som Boyles lov, gjelder teknisk sett bare for en ideell gass, selv om begge forhold gir gode tilnærminger til virkelige situasjoner. En ideell gass har to egenskaper som aldri forekommer i det virkelige liv. Den første er at gasspartiklene er 100 prosent elastiske, og når de treffer hverandre eller beholderens vegger, mister de ikke energi. Det andre kjennetegnet er at ideelle gasspartikler ikke tar noe plass. De er egentlig matematiske punkter uten utvidelse. Ekte atomer og molekyler er uendelig små, men de tar opp plass.

Du kan forstå hvordan en gass utøver trykk på veggene i en container bare hvis du ikke antar at de ikke har noen forlengelse i rommet. En ekte gasspartikkel har ikke bare masse, den har bevegelsesenergi eller kinetisk energi. Når du legger et stort antall slike partikler sammen i en beholder, gir energien de gir til containerens vegger skaper press på veggene, og dette er trykket Boyles lov refererer. Forutsatt at partiklene ellers er ideelle, vil de fortsette å utøve samme mengde trykk på vegger så lenge temperaturen og det totale antallet partikler forblir konstant, og du endrer ikke container. Med andre ord, hvis T, n og V er konstante, så forteller den ideelle gassloven oss at P er konstant.

Anta at du lar volumet på beholderen øke Partiklene har lengre tid å gå i reise til containerveggene, og før de når dem, vil de sannsynligvis lide mer kollisjoner med andre partikler. Det samlede resultatet er at færre partikler treffer containerveggene, og de som gjør det har mindre kinetisk energi. Selv om det ville være umulig å spore individuelle partikler i en beholder, fordi de teller i størrelsesorden 10²³, kan vi observere den samlede effekten. Den effekten, som registrert av Boyle og tusenvis av forskere etter ham, er at trykket på veggene går ned.

I motsatt situasjon blir partiklene overfylte når du reduserer volumet. Så lenge temperaturen holder seg konstant, har de samme kinetiske energi, og flere av dem treffer oftere på veggene, slik at trykket øker.