Zakaj se tlak zmanjšuje s povečanjem glasnosti?

Robert Boyle, irski kemik, ki je živel od 1627 do 1691, je bil prvi, ki je povečal prostornino plina v zaprtem prostoru s prostornino, ki jo zaseda. Ugotovil je, da če povečate tlak (P) na fiksni količini plina pri konstantni temperaturi, se prostornina (V) zmanjša tako, da zmnožek tlaka in prostornine ostane konstanten. Če znižate tlak, se glasnost poveča. V matematičnem smislu:

kjer je C konstanta. To razmerje, znano kot Boylov zakon, je eden od temeljev kemije. Zakaj se to zgodi? Običajni odgovor na to vprašanje vključuje konceptualizacijo plina kot zbirke prosto gibljivih mikroskopskih delcev.

TL; DR (predolgo; Nisem prebral)

Tlak plina se spreminja obratno s prostornino, ker imajo delci plina konstantno količino kinetične energije pri fiksni temperaturi.

Boyleov zakon je eden od predhodnikov zakona o idealnem plinu, ki pravi, da:

kjer je n masa plina, T temperatura, R pa plinska konstanta. Zakon o idealnem plinu, tako kot Boylov zakon, tehnično velja le za idealen plin, čeprav oba razmerja omogočata dober približek resničnim situacijam. Idealen plin ima dve značilnosti, ki se v resnici nikoli ne pojavita. Prva je ta, da so delci plina 100-odstotno elastični in ko udarijo drug v drugega ali stene posode, ne izgubijo energije. Druga značilnost je, da idealni delci plina ne zasedajo prostora. V bistvu so matematične točke brez razširitve. Resnični atomi in molekule so neskončno majhni, vendar zasedajo prostor.

Kako plin izvaja pritisk na stene posode, lahko razumete le, če ne domnevate, da nimajo podaljška v vesolju. Pravi delci plina nimajo le mase, imajo energijo gibanja ali kinetično energijo. Ko v posodo združite večje število takih delcev, energija, ki jo oddajo v stene posode ustvarjajo pritisk na stene in to je tlak, na katerega deluje Boyleov zakon se nanaša. Ob predpostavki, da so delci sicer idealni, bodo še naprej pritiskali enako stene, dokler temperatura in skupno število delcev ostajata nespremenjena in vi ne spreminjate posoda. Z drugimi besedami, če so T, n in V konstantne, potem zakon o idealnem plinu pove, da je P konstanten.

Zdaj predpostavimo, da dovolite, da se prostornina posode poveča. Delci gredo dlje v svoje potovanje do sten kontejnerja in preden pridete do njih, bo verjetno več trkov z drugimi delcev. Skupni rezultat je, da manj delcev zadene stene posode in tistih, zaradi katerih ima manj kinetične energije. Čeprav bi bilo nemogoče slediti posameznim delcem v posodi, ker jih je približno 10²³, lahko opazimo celoten učinek. Kot so zapisali Boyle in tisoči raziskovalcev po njem, ta učinek pomeni, da pritisk na stene upada.

V obratni situaciji se delci stisnejo, ko zmanjšate glasnost. Dokler temperatura ostane nespremenjena, imajo enako kinetično energijo in več jih pogosteje udari po stenah, zato tlak narašča.