BOYLE-MARIOTTES LOV: HISTORIE, UDTRYK, EKSEMPLER - KEMI - 2025

Den Boyle-Mariotte lov er en, der udtrykker forholdet mellem trykket, der udøves af eller på en gas, og volumenet det optager; holde både temperaturen på gassen konstant såvel som dens mængde (antal mol).

Denne lov sammen med Charles, Gay-Lussac, Charles og Avogadro beskriver opførslen af ​​en ideel gas; specifikt i en lukket beholder udsat for volumenændringer udøvet af en mekanisk kraft.

Stigning i tryk ved at reducere beholderens volumen. Kilde: Gabriel Bolívar

Ovenstående billede opsummerer kort Boyle-Mariotte-loven.

De lilla prikker repræsenterer gasmolekyler eller atomer, der kolliderer med beholderens indvendige vægge (til venstre). Efterhånden som det plads eller volumen, der er til rådighed i den beholder, der er optaget af denne gas, mindskes, stiger kollisionerne, hvilket betyder en stigning i trykket (højre).

Dette viser, at trykket P og volumen V af gassen er omvendt proportionalt, hvis beholderen er hermetisk lukket; Ellers ville et højere tryk svare til en større ekspansion af beholderen.

Hvis der blev lavet en graf V mod P med dataene til henholdsvis V og P på henholdsvis Y- og X-akserne, ville en asymptotisk kurve blive observeret. Jo mindre V, jo større er stigningen i P; det vil sige, at kurven vil strække sig mod høje værdier af P på X-aksen.

Naturligvis forbliver temperaturen konstant; men hvis det samme eksperiment blev udført ved forskellige temperaturer, ville de relative positioner af disse V vs P-kurver ændre sig på den kartesiske akse. Ændringen ville være endnu mere synlig, hvis den afbildes på en tredimensionel akse, med T konstant på Z-aksen.

Historie om Boyle's Law

Baggrund

Da forskeren Galileo Galilei udtrykte sin tro på eksistensen af ​​et vakuum (1638), begyndte videnskabsmænd at undersøge egenskaberne ved luft og delvis hulrum.

Den anglo-irske kemiker Robert Boyle begyndte sin undersøgelse af luftens egenskaber i 1638, da han fandt, at Otto von Guericke, en tysk ingeniør og fysiker, havde bygget en luftpumpe.

Kvikksølveksperiment

For at gennemføre sine undersøgelser af lufttrykket brugte Boyle et "J" -formet glasrør, hvis konstruktion blev tilskrevet Robert Hooke, Boylees assistent. Enden af ​​den korte arm blev forseglet, mens enden af ​​den lange arm på røret var åben for at placere kviksølvet.

Fra begyndelsen ønskede Boyle at studere luftens elasticitet, kvalitativt og kvantitativt. Ved at hælde kviksølv gennem den åbne ende af "J" -røret, udledte Boyle, at luften i den korte arm på røret trækkede sig sammen under kviksølvets tryk.

Resultater

Jo større mængde kviksølv, der tilsættes røret, jo større er trykket, der udøves i luften, og jo mindre er dens volumen. Boyle opnåede en negativ eksponentiel type af luftvolumen som en funktion af trykket.

I mellemtiden, hvis volumen af ​​luft er afbildet mod det inverse af tryk, har vi en lige linje med en positiv hældning.

I 1662 offentliggjorde Boyle den første fysiske lov, der blev givet i form af en ligning, hvilket angav den funktionelle afhængighed af to variabler. I dette tilfælde trykket og lydstyrken.

Boyle påpegede, at der var et omvendt forhold mellem trykket, der blev udøvet på en gas, og det volumen, som gas optog, hvilket forhold var relativt sandt for reelle gasser. De fleste gasser opfører sig som ideelle gasser ved moderate temperaturer og tryk.

Efterhånden som der opstod højere tryk og lavere temperaturer, blev afvigelser i opførelsen af ​​reelle gasser fra idealerne mere synlige.

Edme mariotte

Den franske fysiker Edme Mariotte (1620-1684) opdagede uafhængigt den samme lov i 1679. Men det havde fortjenesten at vise, at volumen varierer med temperaturen. Derfor kaldes den Mariottes lov eller Boyle og Mariottes lov.

Styrkelse af loven

Daniel Bernoulli (1737) styrkede Boyle's Law ved at påpege, at trykket af en gas produceres af påvirkningen af ​​gaspartiklerne på væggene i beholderen, der indeholder den.

I 1845 offentliggjorde John Waterston en videnskabelig artikel, hvor han fokuserede på hovedprincipperne for den kinetiske teori om gasser.

Senere konsoliderede Rudolf Clausius, James Maxwell og Ludqwig Boltzmann den kinetiske teori om gasser, som angiver det tryk, der udøves af en gas, med hastigheden af ​​gaspartiklerne i bevægelse.

Jo mindre volumen af ​​beholderen, der indeholder en gas, jo større er hyppigheden af ​​påvirkningerne af partiklerne, der danner den mod beholderens vægge; og derfor, jo større er trykket, der udøves af gassen.

Hvad handler denne lov om?

Eksperimenterne udført af Boyle indikerer, at der er et omvendt forhold mellem det rumfang, der optages af en gas, og det tryk, der udøves på den. Imidlertid er det angivne forhold ikke fuldstændigt lineært, som indikeret af en graf over volumenvariation som en funktion af trykket tilskrives Boyle.

Boyle's Law indikerer, at volumen, der optages af en gas, er omvendt proportional med trykket. Det er også indikeret, at produktet fra tryk på en gas og dens volumen er konstant.

Matematisk udtryk

For at nå frem til det matematiske udtryk for Boyle-Mariotte-loven starter vi fra:

V ∝ 1 / P

Hvor angiver, at volumen, der optages af en gas, er omvendt proportional med dens tryk. Der er dog en konstant, der dikterer, hvor omvendt proportional dette forhold er.

V = k / P

Hvor k er proportionalitetskonstanten. Løsning for k har vi:

VP = k

Produktet med tryk fra en gas og dens volumen er konstant. Så:

V ₁ P ₁ = k og V ₂ P ₂ = k

Og af dette kan det udledes, at:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Det sidstnævnte er det endelige udtryk eller ligning for Boyle's lov.

Hvad er det for? Hvilke problemer løser Boyle's lov?

Damp motorer

Damptog. Kilde: Pixabay.

Boyle-Mariotte-loven anvendes i drift af dampmaskiner. Det er en ekstern forbrændingsmotor, der bruger omdannelsen af ​​den termiske energi i en mængde vand til mekanisk energi.

Vandet opvarmes i en hermetisk lukket kedel, og den producerede damp udøver et tryk i henhold til Boyle-Marioteit-loven, der frembringer en volumenudvidelse af en cylinder ved at skubbe et stempel.

Stempelets lineære bevægelse omdannes til en roterende bevægelse ved hjælp af et system med forbindelsesstænger og krumtap, der kan drive hjulene i et lokomotiv eller rotoren til en elektrisk generator.

I øjeblikket er den alternative dampmotor en lidt brugt motor, da den er blevet forskudt af elmotoren og forbrændingsmotoren i transportkøretøjer.

Sip drikkevarer

Handlingen med at sutte en læskedrik eller juice fra en flaske gennem et plastrør er relateret til Boyle-Mariotte-loven. Når der suges luft ud af røret ved hjælp af munden, er der et fald i trykket inde i røret.

Dette trykfald letter den opadgående bevægelse af væsken i røret, hvilket tillader dens indtagelse. Det samme princip fungerer ved at trække blod ved hjælp af en sprøjte.

Åndedrætsorganerne

Åndedrætsorganerne. Kilde: Pixabay

Boyle-Mariotte-loven er tæt knyttet til respirationssystemets funktion. Under inspirationfasen trækkes mellemgulvet og andre muskler sammen; for eksempel de eksterne interkostaler, der producerer en udvidelse af ribbeholderen.

Dette medfører et fald i det intrapleurale tryk, hvilket forårsager en lungeudvidelse, der producerer en stigning i lungevolumen. Derfor falder det intraapulmonale tryk i henhold til Boyle-Mariotte-loven.

Når intrapulmonært tryk bliver subatmosfærisk, strømmer atmosfærisk luft ind i lungerne, hvilket medfører en stigning i trykket i lungerne; således sidestilles dets tryk med atmosfærisk tryk og afslutter inspirationfasen.

Derefter slapper de inspirerende muskler af, og udåndningsmusklerne trækker sig sammen. Derudover er der elastisk lungeudtrækning, et fænomen, der producerer et fald i lungevolumen, med en deraf følgende stigning i det intra-pulmonale tryk, forklaret af Boyle-Mariotte-loven.

Efterhånden som det intraapulmonale tryk øges og bliver større end atmosfæretrykket, flyder luft fra det indvendige af lungerne til atmosfæren. Dette sker indtil trykene udjævnes, hvilket afslutter udåndingsfasen.

Eksempler (eksperimenter)

Eksperiment 1

En lille, hermetisk lukket ballon anbringes med en knude i munden inde i en sprøjte, hvorfra stemplet er trukket tilbage, på cirka 20 ml. Sprøjtens stemplet placeres mod midten af ​​sprøjten, nålen trækkes ud og luftindløbet blokeres.

Observation

Ved langsomt at trække i sprøjten på injektoren observeres ballonen at blæse op.

Forklaring

To tryk udøves på væggen i ballonen: et tryk på dets indre flade, et produkt af luften indeholdt i ballonen, og et andet tryk på den ydre flade af ballonen, udøvet af luften indeholdt i sprøjten.

Ved at trække i injektorens stemplet skabes et halvt vakuum inde. Derfor aftager lufttrykket på pumpevæggenes ydre flade, hvilket gør det tryk, der udøves inde i pumpen, relativt højere.

Dette nettotryk vil ifølge Boyle-Mariote-loven frembringe en forstyrrelse af ballonvæggen og en stigning i ballonens volumen.

Eksperiment 2

En plastflaske skæres omtrent i halvdelen, hvilket sikrer, at snittet er så vandret som muligt. En tæt pasformet ballon anbringes i munden på flasken, samtidig placeres en vis mængde vand i en dyb plade.

Observation

Ved at placere bunden af ​​flasken med ballonen over vandet i skålen, blæses ballonen op moderat.

Forklaring

Vandet fortrænger en vis mængde luft, hvilket øger lufttrykket på flasken og indersiden af ​​ballonen. Dette forårsager ifølge Boyle-Mariotte-loven en stigning i volumen af ​​ballonen, som visualiseres af ballonens inflation.

Referencer

1. Wikipedia. (2019). Boyle's lov. Gendannet fra: en.wikipedia.org
2. Redaktørerne af Encyclopaedia Britannica. (27. juli 2018). Boyle's lov. Encyclopædia Britannica. Gendannes fra: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (05. december 2018). Formlen for Boyle's Law. Gendannes fra: thoughtco.com
4. Unge indiske film. (15. maj 2018). Boyle's Law: Science Experiment For Kids. Gendannes fra: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (22. maj 2011). Varmluftballon. Definition ABC. Gendannes fra: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Medicinsk fysiologi. (19. udgave). Redigerer den moderne manual.