Związek między ciśnieniem a objętością: Prawo Boylea
Wraz ze wzrostem ciśnienia gazu zmniejsza się jego objętość, ponieważ cząsteczki gazu są dociskane do siebie. I odwrotnie, gdy ciśnienie w gazie spada, objętość gazu wzrasta, ponieważ cząsteczki gazu mogą się teraz oddalać od siebie. Balony pogodowe stają się większe, gdy wznoszą się przez atmosferę do obszarów o niższym ciśnieniu, ponieważ objętość gazu wzrosła; to znaczy, że gaz atmosferyczny wywiera mniejsze ciśnienie na powierzchnię balonu, więc gaz wewnętrzny rozszerza się, aż ciśnienie wewnętrzne i zewnętrzne będą równe.
Irlandzki chemik Robert Boyle (1627–1691) przeprowadził niektóre z najwcześniejszych eksperymentów, które pozwoliły określić ilościową zależność między ciśnieniem a objętością gaz. Boyle użył rurki w kształcie litery J, częściowo wypełnionej rtęcią, jak pokazano na rysunku \ (\ PageIndex {1} \). W tych eksperymentach niewielka ilość gazu lub powietrza jest uwięziona nad kolumną rtęci, a jej objętość jest mierzona przy ciśnieniu atmosferycznym i stałej temperaturze. Następnie do otwartego ramienia wlewa się więcej rtęci, aby zwiększyć ciśnienie na próbce gazu. Ciśnienie gazu to ciśnienie atmosferyczne plus różnica wysokości słupków rtęciowych i mierzona jest uzyskana objętość. Proces ten powtarza się do momentu, gdy w otwartym ramieniu nie ma już miejsca lub objętość gazu jest zbyt mała, aby można było dokonać dokładnego pomiaru. Dane, takie jak te z jednego z własnych eksperymentów Boylea, można wykreślić na kilka sposobów (Rysunek \ (\ PageIndex {2} \)). Prosty wykres \ (V \) względem \ (P \) daje krzywą zwaną hiperbolą i ujawnia odwrotną zależność między ciśnieniem a objętością: gdy ciśnienie jest podwojone, objętość zmniejsza się dwukrotnie. Ta zależność między dwiema wielkościami jest opisana następująco:
\
Dzielenie obu stron przez \ (P \) daje równanie ilustrujące odwrotną zależność między \ (P \) a \ (V \):
\
lub
\
gdzie symbol ∝ jest odczytywany „jest proporcjonalny do”. Wykres zależności V od 1 / P jest zatem linią prostą, której nachylenie jest równe stałej w Równaniach \ (\ ref {10.3.1} \) i \ (\ ref {10.3.3} \). Dzieląc obie strony Równanie \ (\ ref {10.3.1} \) przez V zamiast P daje podobną zależność między P i 1 / V. Wartość liczbowa stałej zależy od ilości gazu użytego w eksperymencie i od temperatury, w której Eksperymenty są przeprowadzane. Ten związek między ciśnieniem a objętością jest znany jako prawo Boylea, od jego odkrywcy, i można go określić następująco: Przy stałej temperaturze objętość ustalonej ilości gazu jest odwrotnie proporcjonalna do jego ciśnienia. prawa w praktyce pokazano na rysunku \ (\ PageIndex {2} \).
Przy stałej temperaturze objętość określonej ilości gazu jest odwrotnie proporcjonalna do jego ciśnienia