Robert Boyle, en irländsk kemist som bodde 1627 till 1691, var den första personen som relaterade gasvolymen i ett trångt utrymme till den volym som 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 med tryck och volym förblir konstant. Om du sänker trycket ökar volymen. I matematiska termer: PV \u003d C, där C är en konstant. Detta förhållande, känd som Boyle's Law, är en av hörnstenarna i kemi. Varför händer detta? Det vanliga svaret på den frågan innebär att konceptualisera en gas som en samling av fritt rörliga mikroskopiska partiklar.
TL; DR (för lång; läste inte)
En gastryck varierar omvänt med volym eftersom gaspartiklarna har en konstant mängd kinetisk energi vid en fast temperatur.
En idealisk gas
Boyle's Law är en av föregångarna till den ideala gaslagen, som säger att PV \u003d nRT , där n är gasens massa, T är temperaturen och R är gasens konstant. Den ideala gaslagen är, precis som Boyle's Law, tekniskt endast sant för en idealisk gas, även om båda förhållandena ger goda tillnärmningar till verkliga situationer. En ideal gas har två egenskaper som aldrig förekommer i verkligheten. Den första är att gaspartiklarna är 100 procent elastiska, och när de träffar varandra eller behållarens väggar förlorar de inte energi. Det andra kännetecknet är att ideala gaspartiklar inte tar utrymme. Det är i huvudsak matematiska poäng utan förlängning. Verkliga atomer och molekyler är oändligt små, men de upptar utrymme.
Vad skapar tryck?
Du kan förstå hur en gas utövar tryck på en vägg i en behållare endast om du inte gör antagande att de inte har någon förlängning i rymden. En riktig gaspartikel har inte bara massa, den har rörelseenergi eller kinetisk energi. När du sätter ihop ett stort antal sådana partiklar i en behållare, skapar energin de förmedlar behållarens väggar tryck på väggarna, och det är det tryck som Boyle's Law hänvisar till. Förutsatt att partiklarna annars är idealiska kommer de att fortsätta att utöva samma tryckmängd så länge temperaturen och det totala antalet partiklar förblir konstant och du ändrar inte behållaren. Med andra ord, om T, n och V är konstant, så säger den ideala gaslagen (PV \u003d nRT) oss att P är konstant.
Ändra volym och du förändra trycket
Antag nu att du tillåter volymen på behållaren för att öka Partiklarna måste längre gå i sin resa till behållarens väggar, och innan de når dem kommer de troligen att drabbas av fler kollisioner med andra partiklar. Det totala resultatet är att färre partiklar träffar behållarens väggar och att de som gör det har mindre kinetisk energi. Även om det skulle vara omöjligt att spåra enskilda partiklar i en behållare, eftersom de är i storleksordningen 10 <23>, kan vi se den totala effekten. Den effekten, som spelats in av Boyle och tusentals forskare efter honom, är att trycket på väggarna minskar.
I omvänd situation blir partiklar trånga ihop när du minskar volymen. Så länge temperaturen förblir konstant har de samma kinetiska energi, och fler av dem träffar väggarna oftare, så trycket går upp.
