Hvorfor falder trykket ned som volumen?

Robert Boyle, en irsk kemiker, der levede fra 1627 til 1691, var den første person til at forholde volumenet af en gas i et begrænset rum til det volumen, den indtager. Han fandt ud af, at hvis du øger trykket (P) på en fast mængde gas ved en konstant temperatur, falder volumenet (V) på en sådan måde, at produktet af tryk og volumen forbliver konstant. Hvis du sænker trykket, øges lydstyrken. I matematiske termer: PV = C, hvor C er en konstant. Dette forhold, kendt som Boyle's Law, er en af ​​hjørnestenene i kemi. Hvorfor sker dette? Det sædvanlige svar på spørgsmålet indebærer at begå en gas som en samling af fritflydende mikroskopiske partikler.

TL; DR (for længe, ​​ikke læst)

Gassens tryk varierer omvendt med volumen, fordi gaspartiklerne har en konstant mængde kinetisk energi ved en fast temperatur.

En ideel gas

Boyles lov er en af ​​forløberne til den ideelle gaslov, der hedder det PV = nRT, hvor n er gasens masse, T er temperaturen og R er gaskonstanten. Den ideelle gaslov, som Boyle's Law, er teknisk kun sand for en ideel gas, selvom begge relationer giver god tilnærmelse til virkelige situationer. En ideel gas har to karakteristika, der aldrig forekommer i det virkelige liv. Den første er, at gaspartiklerne er 100 procent elastiske, og når de rammer hinanden eller væggene i beholderen, mister de ingen energi. Det andet karakteristiske er, at ideelle gaspartikler ikke optager plads. De er hovedsagelig matematiske punkter uden forlængelse. Ægte atomer og molekyler er uendeligt små, men de besætter rum.

Hvad skaber tryk?

Du kan forstå, hvordan en gas udøver tryk på en vægges beholder kun hvis du ikke ' t antage at de ikke har nogen udvidelse i rummet. En ægte gaspartikel har ikke kun masse, den har bevægelsesenergi eller kinetisk energi. Når du sætter et stort antal sådanne partikler sammen i en beholder, giver den energi, de giver til væggene i beholderen, pres på væggene, og det er det tryk, som Boyle's lov henviser til. Forudsat at partiklerne ellers er ideelle, vil de fortsætte med at udøve den samme mængde tryk på væggene, så længe temperaturen og det samlede antal partikler forbliver konstante, og du ændrer ikke beholderen. Med andre ord, hvis T, n og V er konstante, fortæller den ideelle gaslov (PV = nRT) os, at P er konstant.

Alter volumen og du ændrer tryk

Antag nu du tillader beholderens volumen at øge Partiklerne har længere til at gå på deres rejse til beholdervæggene, og inden de når dem, vil de sandsynligvis lide flere kollisioner med andre partikler. Det samlede resultat er, at færre partikler rammer beholdervæggene, og de der gør det, har mindre kinetisk energi. Selvom det ville være umuligt at spore individuelle partikler i en beholder, fordi de tæller i størrelsesordenen 10 ^{23, kan vi observere den samlede virkning. Den effekt, som Boyle og tusindvis af forskere har registreret efter ham, er, at trykket på væggene går ned.}

I modsat fald bliver partiklerne overfyldte, når du sænker lydstyrken. Så længe temperaturen forbliver konstant, har de samme kinetiske energi, og flere af dem rammer væggene oftere, så trykket går op.