Przez wieki naukowcy odkryli prawa, które wyjaśniają, w jaki sposób właściwości, takie jak objętość i ciśnienie, wpływają na zachowanie gazów. Codziennie jesteś świadkiem zastosowania co najmniej jednego z tych praw — prawa Boyle'a — być może nawet nie zdając sobie sprawy, że przestrzegasz ważnych zasad naukowych w działaniu.
Ruch molekularny, objętość i piłki Football
Zgodnie z prawem Charlesa wzrost objętości jest proporcjonalny do wzrostu temperatury, jeśli ogrzewasz stałą ilość gazu przy stałym ciśnieniu. Zademonstruj to prawo, obserwując, jak napompowana piłka, która była w pomieszczeniu, zmniejsza się, jeśli wyniesiesz ją na zewnątrz w zimny dzień. Dystrybutorzy propanu korzystają z prawa Charlesa, obniżając temperaturę do -42,2 stopnia Celsjusza (-44 Fahrenheita) – działanie, które zamienia propan w ciecz łatwiejszą do transportu i sklep. Propan upłynnia się, ponieważ wraz ze spadkiem temperatury cząsteczki gazu zbliżają się do siebie, a objętość maleje.
Oddychanie utrudnione dzięki uprzejmości prawa Daltona
Prawo Daltona mówi, że całkowite ciśnienie mieszaniny gazowej jest równe sumie wszystkich gazów zawartych w mieszaninie, jak pokazano w następującym równaniu:
W tym przykładzie założono, że w mieszaninie występują tylko dwa gazy. Jedną z konsekwencji tego prawa jest to, że tlen stanowi 21% całkowitego ciśnienia atmosfery, ponieważ stanowi 21% atmosfery. Ludzie, którzy wspinają się na duże wysokości, doświadczają prawa Daltona, gdy próbują oddychać. Im wyżej się wznoszą, tym ciśnienie parcjalne tlenu spada wraz ze spadkiem całkowitego ciśnienia atmosferycznego zgodnie z prawem Daltona. Tlen ma trudności z przedostaniem się do krwiobiegu, gdy ciśnienie parcjalne gazu spada. W takim przypadku może wystąpić niedotlenienie, poważny problem medyczny, który może prowadzić do śmierci.
Zaskakujące implikacje prawa Avogadro
Amadeo Avogadro przedstawił w 1811 interesujące propozycje, które teraz formułują prawo Avogadro. Stwierdza, że jeden gaz zawiera taką samą liczbę cząsteczek jak inny gaz o takiej samej objętości w tej samej temperaturze i ciśnieniu. Oznacza to, że gdy podwoisz lub potroisz cząsteczki gazu, objętość podwoi się lub potroi, jeśli ciśnienie i temperatura pozostają stałe. Masy gazów nie będą takie same, ponieważ mają różne masy cząsteczkowe. Zgodnie z tym prawem balon powietrzny i identyczny balon zawierający hel nie ważą tak samo ponieważ cząsteczki powietrza – składające się głównie z azotu i tlenu – mają większą masę niż hel molekuły.
Magia relacji odwrotnej presji
Robert Boyle zbadał również intrygujące zależności między objętością, ciśnieniem i innymi właściwościami gazu. Zgodnie z jego prawem ciśnienie gazu razy jego objętość jest stałe, jeśli działa on jak gaz doskonały. Oznacza to, że ciśnienie gazu razy objętość w jednej chwili równa się jego ciśnieniu razy objętość w innym momencie po dostosowaniu jednej z tych właściwości. Poniższe równanie ilustruje tę zależność:
P_1W_1=P_2W_2
W gazach idealnych energia kinetyczna obejmuje całą energię wewnętrzną gazu, a zmiana temperatury następuje w przypadku zmiany tej energii. (ref 6, pierwszy akapit dotyczący tej definicji). Zasady tego prawa dotyczą kilku obszarów w prawdziwym życiu. Na przykład podczas wdechu przepona zwiększa objętość płuc. Prawo Boyle'a utrzymuje, że ciśnienie w płucach spada, powodując, że ciśnienie atmosferyczne wypełnia płuca powietrzem. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy wydychasz powietrze. Strzykawka napełnia się na tej samej zasadzie, pociągając za tłok i zwiększając objętość strzykawki, powodując odpowiedni spadek ciśnienia wewnątrz. Ponieważ ciecz znajduje się pod ciśnieniem atmosferycznym, wpływa do obszaru niskiego ciśnienia wewnątrz strzykawki.