Robert Boyle, irlandzki chemik, który żył w latach 1627-1691, był pierwszą osobą, która powiązała objętość gazu w ograniczonej przestrzeni z objętością, jaką zajmuje. Odkrył, że jeśli zwiększysz ciśnienie (P) na ustalonej ilości gazu w stałej temperaturze, objętość (V) zmniejszy się w taki sposób, że iloczyn ciśnienia i objętości pozostaje stały. Jeśli obniżysz ciśnienie, objętość wzrośnie. W kategoriach matematycznych:
PV=C
gdzie C jest stałą. Ten związek, znany jako Prawo Boyle'a, jest jednym z kamieni węgielnych chemii. Dlaczego to się zdarza? Zwykła odpowiedź na to pytanie polega na konceptualizacji gazu jako zbioru swobodnie poruszających się mikroskopijnych cząstek.
TL; DR (zbyt długi; Nie czytałem)
Ciśnienie gazu zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do objętości, ponieważ cząstki gazu mają stałą ilość energii kinetycznej w ustalonej temperaturze.
Idealny gaz
Prawo Boyle'a jest jednym z prekursorów prawa gazu doskonałego, które stwierdza, że:
PV=nRT
gdzie n to masa gazu, T to temperatura, a R to stała gazowa. Prawo gazu doskonałego, podobnie jak prawo Boyle'a, jest technicznie prawdziwe tylko dla gazu doskonałego, chociaż obie zależności zapewniają dobre przybliżenia do rzeczywistych sytuacji. Gaz doskonały ma dwie cechy, które nigdy nie występują w prawdziwym życiu. Po pierwsze, cząsteczki gazu są w 100 procentach sprężyste i kiedy zderzają się ze sobą lub ze ściankami pojemnika, nie tracą energii. Drugą cechą jest to, że idealne cząstki gazu nie zajmują miejsca. Są to zasadniczo punkty matematyczne bez rozszerzenia. Prawdziwe atomy i cząsteczki są nieskończenie małe, ale zajmują przestrzeń.
Co tworzy presję?
Możesz zrozumieć, w jaki sposób gaz wywiera nacisk na ściany pojemnika tylko wtedy, gdy nie założysz, że nie mają one rozszerzenia w przestrzeni. Cząstka gazu rzeczywistego ma nie tylko masę, ale także energię ruchu, czyli energię kinetyczną. Kiedy umieścisz dużą liczbę takich cząstek razem w pojemniku, energia, którą przekazują ścianki pojemnika wytwarzają ciśnienie na ścianach i to jest ciśnienie, do którego stosuje się prawo Boyle'a odnosi się. Zakładając, że cząstki są poza tym idealne, będą nadal wywierać taki sam nacisk na ściany tak długo, jak temperatura i całkowita liczba cząstek pozostają stałe i nie modyfikujesz pojemnik. Innymi słowy, jeśli T, n i V są stałe, to prawo gazu doskonałego mówi nam, że P jest stałe.
Zmieniaj objętość, a Ty zmieniasz ciśnienie
Załóżmy teraz, że pozwolisz zwiększyć objętość pojemnika. Cząsteczki mają jeszcze więcej do włożenia. podróż do ścian kontenera, a przed dotarciem do nich najprawdopodobniej dojdzie do większej liczby kolizji z innymi cząstki. Ogólny wynik jest taki, że mniej cząstek uderza w ściany pojemnika, a te, które go powodują, mają mniejszą energię kinetyczną. Chociaż niemożliwe byłoby śledzenie pojedynczych cząstek w pojemniku, ponieważ są one liczone w kolejności 1023, możemy zaobserwować ogólny efekt. Ten efekt, jak zarejestrował Boyle i tysiące badaczy po nim, polega na tym, że nacisk na ściany spada.
W odwrotnej sytuacji cząsteczki gromadzą się, gdy zmniejszasz głośność. Dopóki temperatura pozostaje stała, mają taką samą energię kinetyczną, a więcej z nich częściej uderza w ściany, więc ciśnienie rośnie.