Varför minskar trycket när volymen ökar?

Robert Boyle, en irländsk kemist som bodde från 1627 till 1691, var den första personen som relaterade gasvolymen i ett trångt utrymme till den volym den upptar. Han fann att om du ökar trycket (P) på en fast mängd gas vid en konstant temperatur, minskar volymen (V) på ett sådant sätt att produkten av tryck och volym förblir konstant. Om du sänker trycket ökar volymen. I matematiska termer:

där C är en konstant. Detta förhållande, känt som Boyles lag, är en av hörnstenarna i kemin. Varför händer detta? Det vanliga svaret på den frågan handlar om att konceptualisera en gas som en samling av fritt rörliga mikroskopiska partiklar.

TL; DR (för lång; Läste inte)

Trycket på en gas varierar omvänt med volymen eftersom gaspartiklarna har en konstant mängd kinetisk energi vid en fast temperatur.

Boyles lag är en av föregångarna till den ideala gaslagen, som säger att:

där n är gasens massa, T är temperaturen och R är gaskonstanten. Den ideala gaslagen, liksom Boyles lag, är tekniskt bara sant för en idealgas, även om båda förhållandena ger bra approximationer till verkliga situationer. En idealgas har två egenskaper som aldrig förekommer i verkliga livet. Det första är att gaspartiklarna är 100 procent elastiska, och när de träffar varandra eller behållarens väggar förlorar de ingen energi. Det andra kännetecknet är att ideala gaspartiklar intar inget utrymme. De är i huvudsak matematiska punkter utan förlängning. Verkliga atomer och molekyler är oändligt små, men de upptar utrymme.

Du kan förstå hur en gas utövar tryck på en behållares väggar bara om du inte antar att de inte har någon förlängning i rymden. En riktig gaspartikel har inte bara massa, den har rörelseenergi eller kinetisk energi. När du lägger ett stort antal sådana partiklar i en behållare, ger den energi de ger till behållarens väggar skapar tryck på väggarna, och detta är det tryck som Boyles lag hänvisar. Förutsatt att partiklarna annars är idealiska, kommer de att fortsätta att utöva samma mängd tryck på väggar så länge temperaturen och det totala antalet partiklar förblir konstanta, och du ändrar inte behållare. Med andra ord, om T, n och V är konstanta, säger den ideala gaslagen att P är konstant.

Antag nu att du låter behållarens volym öka Partiklarna har längre att gå i sin resa till containerväggarna, och innan de når dem kommer de sannolikt att drabbas mer av kollisioner med andra partiklar. Det totala resultatet är att färre partiklar träffar behållarväggarna, och de som gör det har mindre kinetisk energi. Även om det vore omöjligt att spåra enskilda partiklar i en behållare, eftersom de numreras i storleksordningen 10²³kan vi observera den totala effekten. Den effekten, som registrerats av Boyle och tusentals forskare efter honom, är att trycket på väggarna minskar.

I den omvända situationen blir partiklar trånga när du sänker volymen. Så länge temperaturen förblir konstant har de samma kinetiska energi och fler av dem träffar väggarna oftare, så trycket stiger.