BOYLE-MARIOTTEN LAKI: HISTORIA, ILMAISU, ESIMERKIT - KEMIA - 2025

Boyle-Mariotte laki on sellainen, joka ilmaisee suhde aiheuttaman paineen tai kaasua, ja tilavuus se vie; pitämällä sekä kaasun lämpötila vakiona että sen määrä (moolien lukumäärä).

Tämä laki, samoin kuin Kaarlen, Gay-Lussacin, Kaarlen ja Avogarron laki, kuvaa ideaalisen kaasun käyttäytymistä; erityisesti suljetussa astiassa, johon kohdistuu mekaanisen voiman aiheuttamia tilavuuden muutoksia.

Paineen nousu vähentämällä säiliön tilavuutta. Lähde: Gabriel Bolívar

Yllä oleva kuva esittää lyhyesti Boyle-Mariotten lain.

Violetit pisteet edustavat kaasumolekyylejä tai atomeja, jotka törmäävät säiliön sisäseinämiin (vasen). Kun tämän kaasun käyttämässä säiliössä käytettävissä oleva tila tai tilavuus vähenee, törmäykset lisääntyvät, mikä tarkoittaa paineen nousua (oikea).

Tämä osoittaa, että kaasun paine P ja tilavuus V ovat käänteisesti verrannollisia, jos säiliö on suljettu ilmatiiviisti; muuten korkeampi paine merkitsisi säiliön suurempaa laajenemista.

Jos tehtiin kuvaaja V P: tä vasten, jolloin V: n ja P: n tiedot vastaavasti Y- ja X-akseleilla, havaittaisiin asymptoottinen käyrä. Mitä pienempi V, sitä suurempi P: n lisäys; ts. käyrä ulottuu kohti X-akselin korkeita P-arvoja.

Lämpötila pysyy tietenkin vakiona; mutta jos sama koe suoritettaisiin eri lämpötiloissa, näiden V vs P-käyrien suhteelliset asemat muuttuisivat Cartesian akselilla. Muutos olisi vielä ilmeisempi, jos piirretään kolmiulotteiseen akseliin T-vakion ollessa Z-akselilla.

Boylen lain historia

Tausta

Koska tiedemies Galileo Galilei ilmaisi uskonsa tyhjiön olemassaoloon (1638), tutkijat aloittivat tutkia ilman ja osittaisten tyhjiöiden ominaisuuksia.

Englantilais-irlantilainen kemisti Robert Boyle aloitti tutkimuksen ilman ominaisuuksista vuonna 1638 saatuaan tietää, että saksalainen insinööri ja fyysikko Otto von Guericke oli rakentanut ilmapumpun.

Elohopeakoe

Ilmanpaineen tutkimuksen suorittamiseksi Boyle käytti ”J” -muotoista lasiputkea, jonka rakennuksen omistavat Boyle-apulainen Robert Hooke. Lyhyen varren pää suljettiin, kun taas putken pitkän varren pää oli avoin elohopean asettamiseksi.

Boyle halusi alusta alkaen tutkia ilman joustavuutta laadullisesti ja kvantitatiivisesti. Kaatamalla elohopeaa "J" -putken avoimen pään läpi, Boyle päätteli, että putken lyhyessä varressa oleva ilma supistui elohopean paineen alaisena.

tulokset

Mitä enemmän putkeen lisätään elohopeaa, sitä suurempi paine ilmaan kohdistuu ja sitä pienempi on sen tilavuus. Boyle sai ilman tilavuuden negatiivisen eksponentiaalisen tyyppikaavion paineen funktiona.

Sillä välin, jos ilman tilavuus on piirretty paineen käänteiseen suuntaan, meillä on suora viiva, jolla on positiivinen kaltevuus.

Vuonna 1662 Boyle julkaisi ensimmäisen fyysisen lain, joka annettiin yhtälön muodossa, joka osoitti kahden muuttujan toiminnallisen riippuvuuden. Tässä tapauksessa paine ja tilavuus.

Boyle huomautti, että kaasuun kohdistuvan paineen ja kaasun käyttämän tilavuuden välillä oli käänteinen suhde. Tämä suhde on suhteellisen totta todellisten kaasujen suhteen. Suurin osa kaasuista käyttäytyy kuin ihanteelliset kaasut kohtuullisissa lämpötiloissa ja paineissa.

Kun korkeampia paineita ja alhaisempia lämpötiloja tapahtui, todellisten kaasujen käyttäytymisessä poikkeamiset ihanteista tulivat havaittavissa.

Edme mariotte

Ranskalainen fyysikko Edme Mariotte (1620-1684) löysi itsenäisesti saman lain vuonna 1679. Mutta sillä oli ansio osoittaa, että tilavuus vaihtelee lämpötilan mukaan. Siksi sitä kutsutaan Mariotten lakiksi tai Boylen ja Mariotten lakiksi.

Lain vahvistaminen

Daniel Bernoulli (1737) vahvisti Boylen lakia huomauttamalla, että kaasun paine syntyy kaasuhiukkasten vaikutuksista sitä sisältävän säiliön seiniin.

Vuonna 1845 John Waterston julkaisi tieteellisen artikkelin, jossa hän keskittyi kaasujen kineettisen teorian pääperiaatteisiin.

Myöhemmin Rudolf Clausius, James Maxwell ja Ludqwig Boltzmann yhdistivät kaasujen kineettisen teorian, joka yhdistää kaasun aiheuttaman paineen liikkuvien kaasuhiukkasten nopeuteen.

Mitä pienempi kaasua sisältävän säiliön tilavuus, sitä suurempi on sen muodostavien hiukkasten vaikutus iskuihin säiliön seiniin; ja siksi, sitä suurempi on kaasun aiheuttama paine.

Mistä tämä laki on kyse?

Boylen kokeet osoittavat, että kaasun käyttämän tilavuuden ja siihen kohdistuvan paineen välillä on käänteinen suhde. Ilmoitettu suhde ei kuitenkaan ole täysin lineaarinen, kuten osoittaa tilavuuden vaihtelutaulukko Boylelle osoitetun paineen funktiona.

Boylen laki osoittaa, että kaasun käyttämä tilavuus on käänteisesti verrannollinen paineeseen. On myös osoitettu, että kaasun paineen ja tilavuuden tuote on vakio.

Matemaattinen lauseke

Boyle-Mariotte-lain matemaattisen ilmaisun saamiseksi aloitamme:

V = 1 / P

Missä osoittaa, että kaasun käyttämä tilavuus on kääntäen verrannollinen sen paineeseen. On kuitenkin vakio, joka sanelee kuinka kääntäen verrannollinen tämä suhde on.

V = k / P

Missä k on suhteellisuusvakio. Ratkaisemalla k meillä on:

VP = k

Kaasun paineen ja tilavuuden tuote on vakio. Niin:

V ₁ P ₁ = k ja V ₂ P ₂ = k

Ja tästä voidaan päätellä, että:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Jälkimmäinen on Boylen lain lopullinen lauseke tai yhtälö.

Mitä varten se on? Mitä ongelmia Boylen laki ratkaisee?

Höyrykoneet

Höyryjuna. Lähde: Pixabay.

Boyle-Mariotte-lakia sovelletaan höyrykoneiden toiminnassa. Se on polttomoottori, joka käyttää tietyn määrän vesien lämpöenergiaa mekaaniseksi energiaksi.

Vesi lämmitetään ilmatiiviisti suljetussa kattilassa ja tuotettu höyry kohdistaa Boyle-Mariote-lain mukaisen paineen, joka tuottaa sylinterin tilavuuden laajenemisen työntämällä mäntää.

Männän lineaarinen liike muuttuu pyörimisliikkeeksi käyttämällä yhdistystankojen ja kampien järjestelmää, joka voi vetää veturin pyöriä tai sähkögeneraattorin roottoria.

Tällä hetkellä vaihtoehtoinen höyrykone on vähän käytetty moottori, koska sähkömoottori ja polttomoottori ovat siirtyneet siihen kuljetusvälineissä.

Siemaile juomia

Virvoitusjuoman tai mehun imeminen pullosta muoviputken kautta liittyy Boyle-Mariotte-lakiin. Kun ilmaa imetään putkesta suua käyttämällä, putken paine laskee.

Tämä painehäviö helpottaa nesteen liikettä ylöspäin putkessa, mahdollistaen sen nauttimisen. Sama periaate toimii veren ottoon ruiskun avulla.

Hengityselimet

Hengityselimet. Lähde: Pixabay

Boyle-Mariotte-laki liittyy läheisesti hengityselinten toimintaan. Inspiraatiovaiheen aikana pallea ja muut lihakset supistuvat; esimerkiksi ulkoiset ulkomaat, jotka tuottavat kylkiluun laajennuksen.

Tämä aiheuttaa laskimonsisäisen paineen laskun, aiheuttaen keuhkojen laajenemisen, joka lisää keuhkojen tilavuutta. Siksi pulmonaarinen paine laskee Boyle-Mariotte-lain mukaan.

Kun pulmonaarisesta paineesta tulee ilmakehän atmosfääriä, ilmakehän ilma virtaa keuhkoihin, mikä aiheuttaa paineen nousua keuhkoissa; siten yhtäläistä sen paine ilmakehän paineeseen ja päättäen inspiraatiovaiheen.

Myöhemmin sisäänhengityslihakset rentoutuvat ja uloshengityslihakset supistuvat. Lisäksi esiintyy joustavaa keuhkojen vetäytymistä, ilmiö, joka saa aikaan keuhkojen tilavuuden pienenemisen ja siitä seuraavan keuhkojen sisäisen paineen nousun, selitetään Boyle-Mariotte-lailla.

Kun pulmonaarinen paine kasvaa ja tulee suuremmaksi kuin ilmanpaine, ilma virtaa keuhkojen sisäpuolelta ilmakehään. Tätä tapahtuu, kunnes paineet tasaantuvat, mikä päättää uloshengitysvaiheen.

Esimerkkejä (kokeilut)

Koe 1

Pieni ilmatiiviisti suljettu pallo asetetaan suussaan noin 20 ml: n ruiskun sisälle, josta mäntä on vedetty, solmuun. Ruiskun mäntä asetetaan ruiskun keskustaa kohti, neula vedetään ulos ja ilmanottoaukko tukkeutuu.

havainto

Vetämällä injektorin mäntää hitaasti, pallo havaitaan täyttyvän.

Selitys

Pallon seinämään kohdistuu kaksi painetta: paine sen sisäpintaan, ilmapalloon sisältyvän ilman tuote ja toinen paine ilmapallojen ulkopintaan, jonka aiheuttaa ruisku.

Vetämällä injektorin mäntää, sisäpuolelle syntyy puoliimuri. Siksi ilmanpaine pumpun seinämän ulkopinnalla laskee, mikä tekee pumpun sisäisestä paineesta suhteellisen korkeamman.

Tämä nettopaine Boyle-Mariote-lain mukaan aiheuttaa ilmapallojen seinämän leviämisen ja ilmapallo tilavuuden lisääntymisen.

Koe 2

Muovipullo leikataan suunnilleen puoleen varmistaen, että leikkaus on mahdollisimman vaakatasossa. Tiiviisti asettuva ilmapallo asetetaan pullon suuhun, samalla syvälle levylle asetetaan tietty määrä vettä.

havainto

Asetamalla pullon pohja ilmapalloa maljassa olevan veden päälle, pallo täyttyy maltillisesti.

Selitys

Vesi syrjäyttää tietyn määrän ilmaa, mikä lisää ilmanpainetta pullon seinämässä ja ilmapallon sisällä. Tämä aiheuttaa Boyle-Mariotte-lain mukaan ilmapallojen tilavuuden lisääntymisen, joka näkyy ilmapallojen täyttämisellä.

Viitteet

1. Wikipedia. (2019). Boylen laki. Palautettu osoitteesta: en.wikipedia.org
2. Encyclopaedia Britannican toimittajat. (27. heinäkuuta 2018). Boylen laki. Encyclopædia Britannica. Palautettu osoitteesta: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (5. joulukuuta 2018). Boylen lain kaava. Palautettu osoitteesta: gondo.com
4. Nuoret intialaiset elokuvat. (15. toukokuuta 2018). Boylen laki: Tieteellinen kokeilu lapsille. Palautettu osoitteesta: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (22. toukokuuta 2011). Kuumailmapallo. Määritelmä ABC. Palautettu osoitteesta: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Lääketieteellinen fysiologia. (19. painos). Toimituksellinen Moderni käsikirja.