Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Hvorfor falder trykket, når volumen stiger?

Robert Boyle, en irsk kemiker, der boede fra 1627 til 1691, var den første person, der relaterede mængden af en gas i et begrænset rum til det volumen, den optager. Han fandt, at hvis man øger trykket (P) på en fast mængde gas ved en konstant temperatur, falder volumenet (V) på en sådan måde, at trykket og volumenproduktet forbliver konstant. Hvis du sænker trykket, øges lydstyrken. I matematiske termer: PV \u003d 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 det spørgsmål involverer konceptualisering af en gas som en samling af frit bevægende mikroskopiske partikler.

TL; DR (for lang; læste ikke)

En gas tryk varierer omvendt med volumen, fordi gaspartiklerne har en konstant mængde kinetisk energi ved en fast temperatur.
En ideel gas -

Boyle's Law er en af forløberne til den ideelle gaslov, der siger, at PV \u003d nRT , hvor n er gasens masse, T er temperaturen, og R er gasskonstanten. Den ideelle gaslov er som Boyle's Law teknisk kun sandt for en ideel gas, selvom begge forhold giver gode tilnærmelser til virkelige situationer. En ideel gas har to egenskaber, 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 ikke nogen energi. Den anden egenskab er, at ideelle gaspartikler ikke optager plads. Det er i det væsentlige matematiske punkter uden udvidelse. Rigtige atomer og molekyler er uendeligt små, men de besætter plads.
Hvad skaber tryk?

Du kan forstå, hvordan en gas udøver tryk på væggene i en beholder, hvis du ikke fremstiller antagelse af, at de ikke har nogen udvidelse i rummet. En ægte gaspartikel har ikke kun masse, den har bevægelsesenergi eller kinetisk energi. Når du lægger et stort antal af sådanne partikler sammen i en beholder, skaber den energi, de bibringer beholderens vægge, pres på væggene, og det er det tryk, som Boyle's Law henviser til. Forudsat at partiklerne ellers er ideelle, fortsætter de med at udøve den samme mængde tryk på væggene, så længe temperaturen og det samlede antal partikler forbliver konstant, og du ændrer ikke beholderen. Med andre ord, hvis T, n og V er konstante, fortæller den ideelle gaslov (PV \u003d nRT) os, at P er konstant.
Ændre lydstyrke og du ændre tryk

Antag nu, at du tillader, at volumen af beholderen for at øge Partiklerne skal længere gå i 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 containervæggene, og at de, der får den til at have mindre kinetisk energi. Selvom det ville være umuligt at spore individuelle partikler i en beholder, fordi de er i størrelsesordenen 10 <23>, kan vi observere den samlede effekt. Den effekt, som Boyle og tusinder af forskere efter ham registrerede, er, at trykket på væggene falder.

I den modsatte situation bliver partikler overfyldte, når du mindsker lydstyrken. Så længe temperaturen forbliver konstant, har de den samme kinetiske energi, og flere af dem rammer oftere væggene, så trykket stiger.