ทำไมความดันลดลงเมื่อปริมาตรเพิ่มขึ้น?

โรเบิร์ต บอยล์ นักเคมีชาวไอริชที่อาศัยอยู่ระหว่างปี ค.ศ. 1627 ถึง ค.ศ. 1691 เป็นคนแรกที่เชื่อมโยงปริมาตรของก๊าซในพื้นที่จำกัดกับปริมาตรที่มันครอบครอง เขาพบว่าหากคุณเพิ่มแรงดัน (P) ให้กับก๊าซในปริมาณคงที่ที่อุณหภูมิคงที่ ปริมาตร (V) จะลดลงในลักษณะที่ผลคูณของแรงดันและปริมาตรจะคงที่ หากคุณลดความดัน ปริมาตรจะเพิ่มขึ้น ในแง่คณิตศาสตร์:

โดยที่ C เป็นค่าคงที่ ความสัมพันธ์นี้เรียกว่ากฎของบอยล์ เป็นหนึ่งในเสาหลักของวิชาเคมี ทำไมสิ่งนี้ถึงเกิดขึ้น? คำตอบปกติสำหรับคำถามนั้นเกี่ยวข้องกับการสร้างแนวคิดเกี่ยวกับก๊าซในฐานะกลุ่มของอนุภาคขนาดเล็กที่เคลื่อนที่อย่างอิสระ

ทีแอล; DR (ยาวเกินไป; ไม่ได้อ่าน)

ความดันของก๊าซแปรผกผันกับปริมาตร เนื่องจากอนุภาคของก๊าซมีพลังงานจลน์ในปริมาณคงที่ที่อุณหภูมิคงที่

กฎของบอยล์เป็นหนึ่งในสารตั้งต้นของกฎแก๊สในอุดมคติซึ่งระบุว่า:

โดยที่ n คือมวลของแก๊ส T คืออุณหภูมิและ R คือค่าคงที่ของแก๊ส กฎของแก๊สในอุดมคติ เช่น กฎของบอยล์ เป็นจริงในทางเทคนิคสำหรับก๊าซในอุดมคติเท่านั้น แม้ว่าความสัมพันธ์ทั้งสองจะให้การประมาณที่ดีในสถานการณ์จริง ก๊าซในอุดมคติมีสองลักษณะที่ไม่เคยเกิดขึ้นในชีวิตจริง อย่างแรกคืออนุภาคก๊าซยืดหยุ่นได้ 100 เปอร์เซ็นต์ และเมื่อมันชนกันหรือผนังของภาชนะ พวกมันจะไม่สูญเสียพลังงานใดๆ ลักษณะที่สองคืออนุภาคก๊าซในอุดมคติไม่มีที่ว่าง พวกเขาเป็นจุดทางคณิตศาสตร์เป็นหลักโดยไม่มีส่วนขยาย อะตอมและโมเลกุลจริงมีขนาดเล็กแต่ใช้พื้นที่

คุณสามารถเข้าใจได้ว่าก๊าซสร้างแรงกดดันต่อผนังของภาชนะบรรจุอย่างไรก็ต่อเมื่อคุณไม่ได้ตั้งสมมติฐานว่าไม่มีส่วนต่อขยายในอวกาศ อนุภาคก๊าซจริงไม่เพียงมีมวลเท่านั้น แต่มีพลังงานเคลื่อนที่หรือพลังงานจลน์ เมื่อคุณนำอนุภาคดังกล่าวจำนวนมากมารวมกันในภาชนะ พลังงานที่อนุภาคเหล่านั้นส่งไปยัง ผนังของภาชนะสร้างแรงกดบนผนัง และนี่คือแรงกดดันที่กฎของบอยล์ อ้างถึง สมมติว่าอนุภาคเป็นอย่างอื่นในอุดมคติ พวกมันจะยังคงออกแรงกดบน .ในปริมาณเท่าเดิม ผนังตราบเท่าที่อุณหภูมิและจำนวนอนุภาคทั้งหมดยังคงที่ และคุณไม่แก้ไข ภาชนะ กล่าวอีกนัยหนึ่ง ถ้า T, n และ V เป็นค่าคงที่ กฎของแก๊สในอุดมคติจะบอกเราว่า P เป็นค่าคงที่

ตอนนี้ สมมติว่าคุณปล่อยให้ปริมาตรของภาชนะเพิ่มขึ้น การเดินทางไปยังผนังตู้คอนเทนเนอร์ และก่อนจะถึงพวกเขา มีแนวโน้มที่จะชนกับผู้อื่นมากขึ้น อนุภาค ผลลัพธ์โดยรวมคือมีอนุภาคน้อยลงที่กระทบกับผนังภาชนะ และอนุภาคที่ทำให้มันมีพลังงานจลน์น้อยลง แม้ว่ามันจะเป็นไปไม่ได้ที่จะติดตามอนุภาคแต่ละชิ้นในภาชนะ เพราะมันมีจำนวนในลำดับที่ 10²³เราสามารถสังเกตผลกระทบโดยรวม ผลกระทบดังกล่าวตามที่ Boyle และนักวิจัยหลายพันคนที่ติดตามเขาบันทึกไว้คือแรงกดบนกำแพงลดลง

ในสถานการณ์ย้อนกลับ อนุภาคจะรวมตัวกันเมื่อคุณลดระดับเสียง ตราบใดที่อุณหภูมิคงที่ พวกมันก็มีพลังงานจลน์เท่ากัน และส่วนมากจะชนกับผนังบ่อยขึ้น ความดันจึงสูงขึ้น