Роберт Бойль, ирландский химик, живший с 1627 по 1691 год, был первым, кто связал объем газа в замкнутом пространстве с объемом, который он занимает. Он обнаружил, что если вы увеличиваете давление (P) на фиксированное количество газа при постоянной температуре, объем (V) уменьшается таким образом, что произведение давления и объема остается постоянным. Если снизить давление, объем увеличивается. С математической точки зрения:
PV = C
где C - постоянная. Эта взаимосвязь, известная как закон Бойля, является одним из краеугольных камней химии. Почему это происходит? Обычный ответ на этот вопрос предполагает концептуальное представление газа как совокупности свободно движущихся микроскопических частиц.
TL; DR (слишком длинный; Не читал)
Давление газа обратно пропорционально объему, потому что частицы газа имеют постоянное количество кинетической энергии при фиксированной температуре.
Идеальный газ
Закон Бойля - один из предшественников закона идеального газа, который гласит:
PV = nRT
где n - масса газа, T - температура, R - газовая постоянная. Закон идеального газа, как и закон Бойля, технически верен только для идеального газа, хотя оба соотношения обеспечивают хорошее приближение к реальным ситуациям. У идеального газа есть две характеристики, которые никогда не встречаются в реальной жизни. Во-первых, частицы газа на 100% эластичны, и когда они ударяются друг о друга или о стенки контейнера, они не теряют никакой энергии. Вторая характеристика - частицы идеального газа не занимают места. По сути, это математические точки без расширения. Реальные атомы и молекулы бесконечно малы, но они занимают место.
Что создает давление?
Понять, как газ оказывает давление на стенки контейнера, можно, только если не предположить, что они не имеют расширения в пространстве. Частица реального газа имеет не только массу, но и энергию движения или кинетическую энергию. Когда вы помещаете большое количество таких частиц вместе в контейнер, энергия, которую они передают стенки контейнера создают давление на стенки, и это давление, с которым действует закон Бойля. ссылается. Если предположить, что частицы в остальном идеальны, они будут продолжать оказывать такое же давление на стены, пока температура и общее количество частиц остаются постоянными, и вы не изменяете контейнер. Другими словами, если T, n и V постоянны, то закон идеального газа говорит нам, что P постоянна.
Измените объем и вы измените давление
Теперь предположим, что вы позволили объему контейнера увеличиться. добраться до стенок контейнера, и, прежде чем достигнуть их, вероятно, будет больше столкновений с другими частицы. В итоге меньшее количество частиц попадает в стенки контейнера, а те, которые заставляют его, имеют меньшую кинетическую энергию. Хотя было бы невозможно отследить отдельные частицы в контейнере, потому что их количество составляет порядка 1023, мы можем наблюдать общий эффект. Этот эффект, как зарегистрировали Бойл и тысячи исследователей после него, заключается в том, что давление на стены снижается.
В обратном случае, когда вы уменьшаете громкость, частицы собираются вместе. Пока температура остается постоянной, они имеют одинаковую кинетическую энергию, и большее их количество чаще ударяется о стенки, поэтому давление возрастает.