Gas Laws-Boyle’s Laws-Statement of the Law

Οι νόμοι των αερίων είναι οι πιο θεμελιώδεις νόμοι της θερμοδυναμικής. Περιγράφουν πώς τα επίπεδα ενέργειας των ατόμων και των μορίων αλλάζουν με τη θερμοκρασία, την πίεση και το χημικό περιβάλλον. Περιγράφουν επίσης πώς αλλάζουν όταν ένα σύστημα μετακινείται από τη μια κατάσταση στην άλλη. Αυτοί οι νόμοι χρησιμοποιούνται συχνά για την πρόβλεψη των ιδιοτήτων ενός υλικού όταν αυτό βρίσκεται υπό ορισμένες συνθήκες. Ας συζητήσουμε αναλυτικά τον νόμο του Μπόιλ:

Τι είναι ο νόμος του Μπόιλ;

Δήλωση του Νόμου

Ο νόμος του Boyle περιγράφει τη σχέση μεταξύ της πίεσης και του όγκου ενός αερίου σε σταθερή θερμοκρασία. Ο όγκος ενός αερίου είναι αντιστρόφως ανάλογος με την πίεση ενός αερίου σε σταθερή θερμοκρασία.

Η εξίσωση για τον τύπο του νόμου του Boyle είναι:

V ∝ 1/P

Ή

P ∝ 1/V

Ή

PV =K1

Το V αντιπροσωπεύει τον όγκο του αερίου, το P αντιπροσωπεύει την πίεση του αερίου και το K1 αντιπροσωπεύει τη σταθερά. Ο νόμος του Boyle μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό της τρέχουσας πίεσης ή όγκου ενός αερίου και είναι επίσης γνωστός ως:

P1V1 =P2V2

Γραφική αναπαράσταση του νόμου του Boyle

Η σύνδεση μεταξύ όγκου και πίεσης σε ένα αέριο μπορεί να δηλωθεί ως νόμος του Boyle μαθηματικά ως εξής (σε σταθερή μάζα και θερμοκρασία).

P ∝ (1/V)

Η πίεση που ασκεί το αέριο είναι P και ο όγκος που καταλαμβάνει είναι V. Προσθέτοντας μια σταθερά, k, σε αυτήν την αναλογικότητα, μπορούμε να τη μετατρέψουμε σε εξίσωση.

P =k×(1/V) ⇒ PV =k

Όταν η πίεση που ασκεί το αέριο (P) εμφανίζεται στον άξονα Υ και το αντίστροφο του όγκου που καταλαμβάνει το αέριο (1/V) απεικονίζεται στον άξονα Χ, σχηματίζεται μια ευθεία γραμμή.

Παραγωγή και τύπος νόμου του Boyle

Σύμφωνα με το νόμο του Boyle, οποιαδήποτε αλλαγή στον όγκο που γεμίζει ένα αέριο (σε σταθερή ποσότητα και θερμοκρασία) οδηγεί σε διαφορά στην πίεσή του. Με άλλα λόγια, το γινόμενο της αρχικής πίεσης και του αρχικού όγκου ενός αερίου ισούται με το γινόμενο της τελικής πίεσης και του τελικού όγκου του αερίου (σε σταθερή θερμοκρασία και αριθμό moles). Αυτός ο νόμος μπορεί να αναπαρασταθεί μαθηματικά ως εξής:

P1V1 =P2V2

Εδώ,

Το P1 αναφέρεται στην πίεση εκκίνησης του αερίου.

Το V1 είναι ο αρχικός όγκος κατοχής του αερίου.

Το P2 αναφέρεται στην τελική πίεση του αερίου.

Ο τελικός όγκος που πληρώνεται από το αέριο είναι V2.

Ο τύπος του νόμου του Boyle προτείνει μια σύνδεση πίεσης-όγκου, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ληφθεί αυτή η φράση. PV =k για ορισμένη ποσότητα αερίου σε σταθερές θερμοκρασίες. Επομένως,

P1V1 =k (αρχική πίεση × αρχικός όγκος)

P2V2 =k (τελική πίεση × τελικός όγκος)

∴ P1V1 =P2V2

Όταν ο όγκος του δοχείου ενός αερίου μειώνεται, η εξίσωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη της αύξησης της πίεσης που ασκείται από το αέριο στα τοιχώματα του δοχείου (και η ποσότητα και η απόλυτη θερμοκρασία του παραμένουν αμετάβλητες).

Παραδείγματα νόμου του Boyle

1. Τα σκασμένα ελαστικά είναι αδύναμα και στερούνται καλής φόρμας, γεγονός που καθιστά δύσκολη τη σωστή κίνηση ενός οχήματος. Τα μόρια του αέρα συσσωρεύονται στενά όταν ο αέρας ωθείται σε σκασμένα ελαστικά με τη βοήθεια μιας αντλίας αέρα. Η πίεση που ασκείται στα τοιχώματα του ελαστικού αυξάνεται καθώς αυξάνεται ο αριθμός των μορίων αέρα στο ελαστικό. Επομένως, το φούσκωμα των σκασμένων ελαστικών είναι μια ακόμη εφαρμογή του κανόνα του Boyle στον πραγματικό κόσμο.
2. Μια από τις πιο αξιοσημείωτες περιπτώσεις του νόμου του Boyle είναι ένα μπουκάλι σόδας γεμάτο με συνδυασμό διοξειδίου του άνθρακα και νερού. Είναι δύσκολο να συμπιεστείτε ένα δοχείο ή ένα δοχείο αναψυκτικού που έχει σφραγιστεί. Αυτό συμβαίνει επειδή τα μόρια του αέρα μέσα στο δοχείο είναι πυκνά συσκευασμένα και έχουν ελάχιστο χώρο για κίνηση. Όταν ανοίγετε ένα κουτί ή ένα μπουκάλι, μερικά μόρια αέρα φεύγουν, επιτρέποντας σε περισσότερα μόρια αέρα να κινηθούν και να συμπιέσουν το μπουκάλι.
3. Η σύριγγα είναι ένα κομμάτι ιατρικού εξοπλισμού που χρησιμοποιείται για την ένεση ή την αφαίρεση υγρών. Αποτελείται από έναν κύλινδρο που συγκρατεί το υγρό και ένα έμβολο που ελέγχει την πίεση. Ο όγκος του υγρού μειώνεται καθώς το έμβολο πιέζεται προς τα κάτω, αυξάνοντας την πίεση. Ομοίως, η ανύψωση του εμβόλου αυξάνει την ένταση ενώ μειώνει την πίεση. Ως αποτέλεσμα, ο νόμος του Boyle διέπει τη λειτουργία μιας σύριγγας.

Συμπέρασμα

Πειράματα και παρατηρήσεις στη φυσική έχουν οδηγήσει στην ανάπτυξη τεσσάρων θεμελιωδών αρχών που περιγράφουν πώς συμπεριφέρονται τα αέρια:ο νόμος του Boyle, ο νόμος του Charles, ο νόμος του Avogadro και ο νόμος του Gay-Lussac. Τα πειράματα και οι παρατηρήσεις που περιγράφονται σε αυτή την ενότητα οδήγησαν στην ανάπτυξη νόμων για τα αέρια. Αυτοί οι νόμοι είναι πιο χρήσιμοι για την εξήγηση της συμπεριφοράς των αερίων υπό σταθερή πίεση και σταθερή θερμοκρασία. Συζητήσαμε περαιτέρω τον νόμο του Boyle και τη μαθηματική του έκφραση που είναι P1V1 =P2V2.