Чому тиск зменшується в міру збільшення обсягу?

Роберт Бойл, ірландський хімік, який жив з 1627 по 1691 рік, був першим, хто пов’язав об’єм газу в обмеженому просторі з об’ємом, який він займає. Він виявив, що якщо ви збільшуєте тиск (Р) на фіксовану кількість газу при постійній температурі, об'єм (В) зменшується таким чином, що добуток тиску і об'єму залишається постійним. Якщо ти знижуєш тиск, об’єм збільшується. У математичному плані:

де С - константа. Ці відносини, відомі як закон Бойля, є одним із наріжних каменів хімії. Чому так трапляється? Звичайна відповідь на це питання передбачає осмислення газу як сукупності вільно рухомих мікроскопічних частинок.

TL; ДР (занадто довгий; Не читав)

Тиск газу змінюється обернено до об'єму, оскільки частинки газу мають постійну кількість кінетичної енергії при фіксованій температурі.

Закон Бойля є одним із попередників закону про ідеальний газ, який стверджує, що:

де n - маса газу, T - температура, а R - газова постійна. Закон про ідеальний газ, як закон Бойля, технічно справедливий лише для ідеального газу, хоча обидва співвідношення дають хороші наближення до реальних ситуацій. Ідеальний газ має дві характеристики, які ніколи не зустрічаються в реальному житті. По-перше, частинки газу на 100 відсотків еластичні, і коли вони вдаряються одна об одну або стінки ємності, вони не втрачають енергії. Друга характеристика полягає в тому, що ідеальні частинки газу не займають місця. По суті, це математичні точки без розширення. Справжні атоми та молекули нескінченно малі, але вони займають простір.

Ви можете зрозуміти, як газ чинить тиск на стінки ємності, лише якщо ви не припускаєте, що вони не мають розширення в просторі. Справжня частинка газу має не тільки масу, вона має енергію руху або кінетичну енергію. Коли ви складаєте велику кількість таких частинок разом у контейнер, енергія, яку вони передають Стінки контейнера створюють тиск на стінки, і це тиск, на який діє закон Бойля посилається. Вважаючи частинки ідеальними в іншому випадку, вони продовжуватимуть надавати стільки ж тиску на стінки, якщо температура і загальна кількість частинок залишаються постійними, і ви не змінюєте контейнер. Іншими словами, якщо T, n і V постійні, то закон ідеального газу говорить нам, що P постійний.

Тепер припустимо, ви дозволяєте збільшити об’єм ємності. Частинки повинні йти далі подорож до стінок контейнера, і перед тим, як дістатися до них, швидше за все, зіткнеться з іншими частинки. Загальний результат полягає в тому, що менше частинок потрапляє на стінки контейнера, а ті, що роблять його, мають меншу кінетичну енергію. Хоча було б неможливо відстежити окремі частинки в контейнері, оскільки їх кількість становить близько 10²³, ми можемо спостерігати загальний ефект. Цей ефект, як зафіксували Бойл і тисячі дослідників після нього, полягає в тому, що тиск на стіни падає.

У зворотному випадку частинки стискаються разом, коли ви зменшуєте гучність. Поки температура залишається постійною, вони мають однакову кінетичну енергію, і більша частина з них частіше б’ється об стінки, тому тиск зростає.