De ce scade presiunea pe măsură ce crește volumul?

Robert Boyle, un chimist irlandez care a trăit între 1627 și 1691, a fost prima persoană care a raportat volumul unui gaz dintr-un spațiu limitat la volumul pe care îl ocupă. El a descoperit că, dacă creșteți presiunea (P) pe o cantitate fixă ​​de gaz la o temperatură constantă, volumul (V) scade astfel încât produsul de presiune și volum să rămână constant. Dacă scazi presiunea, volumul crește. În termeni matematici:

unde C este o constantă. Această relație, cunoscută sub numele de Legea lui Boyle, este una dintre pietrele de temelie ale chimiei. De ce se întâmplă asta? Răspunsul obișnuit la această întrebare implică conceptualizarea unui gaz ca o colecție de particule microscopice în mișcare liberă.

TL; DR (Prea lung; Nu am citit)

Presiunea unui gaz variază invers cu volumul, deoarece particulele de gaz au o cantitate constantă de energie cinetică la o temperatură fixă.

Legea lui Boyle este unul dintre precursorii legii gazelor ideale, care prevede că:

unde n este masa gazului, T este temperatura și R este constanta gazului. Legea ideală a gazelor, precum Legea lui Boyle, este valabilă din punct de vedere tehnic doar pentru un gaz ideal, deși ambele relații oferă aproximări bune la situațiile reale. Un gaz ideal are două caracteristici care nu apar niciodată în viața reală. Primul este că particulele de gaz sunt 100% elastice și, atunci când se lovesc reciproc sau de pereții containerului, nu pierd energie. A doua caracteristică este că particulele de gaz ideale nu ocupă spațiu. Ele sunt în esență puncte matematice fără extensie. Atomii și moleculele reale sunt infinit de mici, dar ocupă spațiu.

Puteți înțelege cum un gaz exercită presiune pe pereții unui container numai dacă nu presupuneți că nu au nicio extensie în spațiu. O particulă de gaz real are nu numai masă, ci are energie de mișcare sau energie cinetică. Când puneți un număr mare de astfel de particule într-un recipient, energia pe care o conferă pereții containerului creează presiune pe pereți și aceasta este presiunea la care se aplică Legea lui Boyle se referă. Presupunând că particulele sunt altfel ideale, ele vor continua să exercite aceeași cantitate de presiune asupra pereți atâta timp cât temperatura și numărul total de particule rămân constante și nu modificați container. Cu alte cuvinte, dacă T, n și V sunt constante, atunci legea ideală a gazelor ne spune că P este constantă.

Acum, să presupunem că permiteți volumul containerului să crească. Particulele au mai mult de mers călătoria către pereții containerului și, înainte de a ajunge la ei, este posibil să sufere mai multe coliziuni cu altele particule. Rezultatul general este că mai puține particule lovesc pereții containerului, iar cele care îl fac au o energie cinetică mai mică. Deși ar fi imposibil să se urmărească particulele individuale într-un container, deoarece acestea sunt în ordinea a 10²³, putem observa efectul general. Acest efect, așa cum a fost înregistrat de Boyle și mii de cercetători după el, este că presiunea pe pereți scade.

În situația inversă, particulele se înghesuie atunci când reduceți volumul. Atâta timp cât temperatura rămâne constantă, acestea au aceeași energie cinetică și mai multe dintre ele lovesc pereții mai frecvent, astfel încât presiunea crește.