5.3: Le leggi semplici dei gas – Legge di Boyle, Legge di Charles e Legge di Avogadro


La relazione tra pressione e volume: Legge di Boyle

Allaumentare della pressione su un gas, il volume del gas diminuisce perché le particelle di gas sono costrette ad avvicinarsi. Al contrario, al diminuire della pressione su un gas, il volume del le particelle di gas possono ora spostarsi più lontano. I palloni meteorologici diventano più grandi mentre salgono attraverso latmosfera verso regioni di pressione inferiore perché il volume del gas è aumentato; cioè, il gas atmosferico esercita una pressione minore sulla superficie del pallone, quindi il il gas interno si espande finché la pressione interna ed esterna non sono uguali.

Figura \ (\ PageIndex {1 } \): Esperimento di Boyle che utilizza un tubo a forma di J per determinare la relazione tra pressione del gas e volume. (A) I inizialmente il gas è ad una pressione di 1 atm = 760 mmHg (il mercurio è alla stessa altezza sia nel braccio contenente il campione che nel braccio aperto allatmosfera); il suo volume è V. (b) Se si aggiunge abbastanza mercurio al lato destro per dare una differenza di altezza di 760 mmHg tra i due bracci, la pressione del gas è 760 mmHg (pressione atmosferica) + 760 mmHg = 1520 mmHg e il volume è V / 2. (c) Se si aggiungono altri 760 mmHg alla colonna di destra, la pressione totale sul gas aumenta a 2280 mmHg e il volume del gas diminuisce a V / 3 (CC BY-SA-NC; anonimo su richiesta ).

Il chimico irlandese Robert Boyle (1627–1691) condusse alcuni dei primi esperimenti che determinarono la relazione quantitativa tra la pressione e il volume di un gas. Boyle ha utilizzato un tubo a forma di J parzialmente riempito di mercurio, come mostrato nella Figura \ (\ PageIndex {1} \). In questi esperimenti, una piccola quantità di un gas o aria viene intrappolata sopra la colonna di mercurio e il suo volume viene misurato a pressione atmosferica e temperatura costante. Più mercurio viene quindi versato nel braccio aperto per aumentare la pressione sul campione di gas. La pressione sul gas è la pressione atmosferica più la differenza nelle altezze delle colonne di mercurio e viene misurato il volume risultante. Questo processo viene ripetuto fino a quando non cè più spazio nel braccio aperto o il volume del gas è troppo piccolo per essere misurato con precisione. Dati come quelli di uno degli esperimenti di Boyle possono essere tracciati in diversi modi (Figura \ (\ PageIndex {2} \)). Un semplice grafico di \ (V \) contro \ (P \) fornisce una curva chiamata iperbole e rivela una relazione inversa tra pressione e volume: quando la pressione è raddoppiata, il volume diminuisce di un fattore due. Questa relazione tra le due quantità è descritta come segue:

\

Dividendo entrambi i lati per \ (P \) si ottiene unequazione che illustra la relazione inversa tra \ (P \) e \ (V \):

\

o

\

dove si legge il simbolo ∝ “è proporzionale a”. Un grafico di V contro 1 / P è quindi una linea retta la cui pendenza è uguale alla costante nelle equazioni \ (\ ref {10.3.1} \) e \ (\ ref {10.3.3} \). Dividendo entrambi i lati di Lequazione \ (\ ref {10.3.1} \) di V invece di P fornisce una relazione simile tra P e 1 / V. Il valore numerico della costante dipende dalla quantità di gas usata nellesperimento e dalla temperatura alla quale Gli esperimenti vengono eseguiti. Questa relazione tra pressione e volume è nota come legge di Boyle, dal nome del suo scopritore, e può essere definita come segue: A temperatura costante, il volume di una quantità fissa di un gas è inversamente proporzionale alla sua pressione. la legge in pratica è mostrata nella Figura \ (\ PageIndex {2} \).

Figura \ (\ PageIndex {2} \): Grafici dei dati di Boyle. (A) Ecco i dati effettivi di un tipico esperimento condotto da Boyle. Boyle ha utilizzato unità non SI per misurare il volume (pollici 3 invece di cm3) e la pressione (in. Hg piuttosto che mmHg). (b) T il suo diagramma di pressione rispetto al volume è uniperbole. Poiché PV è una costante, la diminuzione della pressione di un fattore due comporta un doppio aumento del volume e viceversa. (c) Un grafico del volume rispetto a 1 / pressione per gli stessi dati mostra la relazione lineare inversa tra le due quantità, come espressa dallequazione V = costante / P (CC BY-SA-NC; anonimo su richiesta).

A temperatura costante, il volume di una quantità fissa di gas è inversamente proporzionale alla sua pressione

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