ЗАКОН БОЙЛЯ-МАРІОТТА: ІСТОРІЯ, ВИРАЗ, ПРИКЛАДИ - ХІМІЯ - 2025

Закон Бойля-Маріотта - це той, що виражає взаємозв'язок між тиском, що чиниться на або на газі, і об'ємом, який він займає; підтримуючи як постійну температуру газу, так і його кількість (кількість молей).

Цей закон, разом із законом Карла, Гей-Люссака, Чарльза та Авогадро, описує поведінку ідеального газу; конкретно, у закритому контейнері, що зазнає змін об'єму, що здійснюються механічною силою.

Підвищення тиску за рахунок зменшення об’єму ємності. Джерело: Габріель Болівар

Зображення вище коротко підсумовує закон Бойля-Маріотта.

Фіолетові точки являють собою молекули газу або атоми, які стикаються з внутрішніми стінками ємності (зліва). Зі зменшенням простору або об'єму, що знаходиться в контейнері, зайнятому цим газом, зіткнення збільшуються, що перетворюється на підвищення тиску (справа).

Це показує, що тиск Р і об'єм V газу обернено пропорційні, якщо контейнер герметично закритий; в іншому випадку більш високий тиск буде дорівнює більшому розширенню контейнера.

Якби був зроблений графік V проти P, за даними V і P по осях Y і X відповідно спостерігалася б асимптотична крива. Чим менше V, тим більший приріст Р; тобто крива поширюватиметься до високих значень P на осі X.

Звичайно, температура залишається постійною; але, якби той самий експеримент був проведений при різних температурах, відносні положення цих кривих V проти P змінилися б на декартовій осі. Зміна буде ще більш очевидною, якби побудувати її на тривимірній осі з Т-постійною на осі Z.

Історія закону Бойля

Фон

Оскільки вчений Галілео Галілей висловив віру в існування вакууму (1638 р.), Вчені почали вивчати властивості повітря та часткових порожнеч.

Англо-ірландський хімік Роберт Бойл розпочав своє вивчення властивостей повітря в 1638 році, дізнавшись, що Отто фон Геріке, німецький інженер і фізик, побудував повітряний насос.

Експеримент з ртуттю

Щоб провести дослідження тиску повітря, Бойл використав скляну трубку у формі "J", конструкцію якої приписував Роберту Гуку, помічнику Бойла. Кінець короткої руки був герметичний, тоді як кінець довгої руки трубки був відкритий для розміщення ртуті.

З самого початку Бойл хотів вивчити пружність повітря, якісно та кількісно. Проливаючи ртуть через відкритий кінець трубки "J", Бойл вивів, що повітря в короткому плечі трубки стискається під тиском ртуті.

Результати

Чим більша кількість ртуті додається в трубку, тим більший тиск на повітря і тим менший його об’єм. Бойл отримав графік негативного експоненціального типу об'єму повітря як функція тиску.

Тим часом, якщо об'єм повітря побудований проти зворотного тиску, у нас є пряма лінія з позитивним нахилом.

У 1662 році Бойл опублікував перший фізичний закон, який був заданий у вигляді рівняння, який вказував на функціональну залежність двох змінних. У цьому випадку тиск і об'єм.

Бойл вказував, що між тиском, що чиниться на газ, і обсягом, який займає газ, існує зворотна залежність, і це відношення стосується реальних газів. Більшість газів поводяться як ідеальні гази при помірних температурах і тиску.

По мірі підвищення тиску та нижчих температур дедалі помітніші відхилення в поведінці реальних газів від ідеалів.

Едме Маріотта

Французький фізик Едме Маріотт (1620-1684) незалежно відкрив той же закон у 1679 р. Але він мав заслугу показати, що об'єм змінюється в залежності від температури. Ось чому його називають Закон Маріотта або Закон Бойла і Маріотта.

Зміцнення закону

Даніель Бернуллі (1737) зміцнив Закон Бойла, вказавши, що тиск газу виробляється під впливом частинок газу на стінки ємності, що містить його.

У 1845 р. Джон Уотерстон опублікував наукову статтю, в якій зосередився на основних принципах кінетичної теорії газів.

Пізніше Рудольф Клаузіус, Джеймс Максвелл і Людвіг Больцман закріпили кінетичну теорію газів, яка пов'язує тиск, який чинить газ, зі швидкістю частинок газу в русі.

Чим менший об'єм контейнера, який містить газ, тим більша частота ударів частинок, які утворюють його об стінки контейнера; і, отже, більший тиск газу.

Про що цей закон?

Експерименти, проведені Бойлом, показують, що існує обернена залежність між об'ємом, зайнятим газом, і тиском на нього. Однак зазначена залежність не є повністю лінійною, на що вказує графік зміни обсягу як функція тиску, який приписується Бойлу.

Закон Бойла вказує, що об'єм, зайнятий газом, обернено пропорційний тиску. Також вказується, що добуток тиску газу та його об єму є постійним.

Математичний вираз

Щоб дійти до математичного вираження закону Бойля-Маріотта, ми починаємо з:

V ∝ 1 / P

Де вказується, що об'єм, зайнятий газом, обернено пропорційний його тиску. Однак є константа, яка диктує, наскільки обернено пропорційними є ці відносини.

V = k / P

Де k - константа пропорційності. Розв’язуючи для k маємо:

VP = k

Продукт тиску газу і його об'єм постійний. Так:

V ₁ P ₁ = k і V ₂ P ₂ = k

І з цього можна зробити висновок, що:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Останнє є остаточним виразом або рівнянням для закону Бойла.

Для чого це? Які проблеми вирішує закон Бойла?

Парові двигуни

Паровий поїзд. Джерело: Pixabay.

Закон Бойля-Маріотта застосовується в роботі парових двигунів. Це двигун зовнішнього згоряння, який використовує перетворення теплової енергії кількості води в механічну.

Вода нагрівається в герметично закритому котлі, і вироблена пара чинить тиск відповідно до закону Бойля-Маріота, який виробляє об'ємне розширення циліндра шляхом натискання на поршень.

Лінійний рух поршня перетворюється на обертальний рух за рахунок використання шатуна і кривошипної системи, який може приводити в рух колеса паровоза або ротора електричного генератора.

В даний час альтернативний паровий двигун є мало використовуваним двигуном, оскільки його перемістили електродвигун та двигун внутрішнього згоряння в транспортних засобах.

Випивати напої

Дія висмоктування безалкогольного напою або соку з пляшки через пластикову трубку пов'язана із законом Бойля-Маріотта. Коли повітря висмоктується з трубки за допомогою рота, відбувається зниження тиску всередині трубки.

Цей перепад тиску полегшує рух рідини в трубці вгору, дозволяючи її поглинати. Цей самий принцип працює в заборі крові за допомогою шприца.

Дихальна система

Дихальна система. Джерело: Піксабай

Закон Бойля-Маріотта тісно пов'язаний з функціонуванням дихальної системи. Під час фази вдиху діафрагма та інші м’язи стискаються; наприклад, зовнішні міжребер’я, які виробляють розширення реберної клітки.

Це викликає зниження внутрішньоплеврального тиску, спричиняючи розширення легенів, що призводить до збільшення об’єму легенів. Тому внутрішньолегеневий тиск знижується відповідно до закону Бойля-Маріотта.

Оскільки внутрішньолегеневий тиск стає субатмосферним, атмосферне повітря надходить у легені, що викликає підвищення тиску в легенях; таким чином прирівнюючи його тиск до атмосферного тиску, і закінчуючи фазу вдиху.

Згодом інспіраторні м’язи розслабляються, а м’язи видиху скорочуються. Крім того, існує еластичне втягнення легенів - явище, яке спричиняє зменшення об’єму легенів, що зумовлює підвищення внутрішньолегеневого тиску, пояснюється законом Бойля-Маріотта.

Коли внутрішньолегеневий тиск зростає і стає більшим, ніж атмосферний тиск, повітря надходить зсередини легенів в атмосферу. Це відбувається до тих пір, поки тиск не вирівняється, що завершує фазу видиху.

Приклади (експерименти)

Експеримент 1

Невелику герметично закриту кульку поміщають, роблячи вузол у роті, всередині шприца, з якого витягнуто поршень, приблизно 20 мл. Плунжер шприца розміщується у напрямку до середини шприца, голка виводиться і вхід повітря блокується.

Спостереження

Повільно потягнувши плунжер інжектора, спостерігається надуття повітряної кулі.

Пояснення

На стінку повітряної кулі чиняться два тиски: тиск на внутрішню її поверхню, продукт повітря, що міститься всередині повітряної кулі, і інший тиск на зовнішню поверхню повітряної кулі, що чиниться повітрям, що міститься в шприці.

Потягнувши плунжер інжектора, всередині створюється напів вакуум. Тому тиск повітря на зовнішній стороні стінки насоса зменшується, завдяки чому тиск, що чиниться всередині насоса, порівняно вище.

Цей чистий тиск, згідно із законом Бойля-Маріота, призведе до розриву стінки повітряної кулі та збільшення обсягу повітряної кулі.

Експеримент 2

Пластикову пляшку розрізають приблизно навпіл, забезпечуючи, щоб зріз був максимально горизонтальним. Щільно прилягає повітряна куля поміщається в рот пляшки, при цьому певна кількість води поміщається в глибоку тарілку.

Спостереження

Помістивши дно пляшки з повітряною кулею над водою в посуд, повітряна куля помірно надувається.

Пояснення

Вода витісняє певну кількість повітря, збільшуючи тиск повітря на стінку пляшки та внутрішню частину повітряної кулі. Це спричиняє, згідно із законом Бойля-Маріотта, збільшення обсягу повітряної кулі, що візуалізується надуванням повітряної кулі.

Список літератури

1. Вікіпедія. (2019). Закон Бойла Відновлено з: en.wikipedia.org
2. Редактори Encyclopeedia Britannica. (27 липня 2018 р.). Закон Бойла Encyclopædia Britannica. Відновлено: britannica.com
3. Гельменстін, Тодд. (05 грудня 2018 р.). Формула закону Бойля. Відновлено з: thinkco.com
4. Молоді індійські фільми (15 травня 2018 р.). Закон Бойла: науковий експеримент для дітей. Відновлено: yifindia.com
5. Сесілія Бембібр. (22 травня 2011 р.). Повітряна куля. Визначення ABC. Відновлено з: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Медична фізіологія. (19-е видання). Редакція Сучасного посібника.