BOYLE-MARIOTTE TÖRVÉNYE: TÖRTÉNELEM, KIFEJEZÉS, PÉLDÁK - KÉMIA - 2025

A Boyle-Mariotte törvény az, amely kifejezi a gáz vagy a gáz által kifejtett nyomás és az általa elfoglalt térfogat közötti kapcsolatot; a gáz hőmérséklete és a mennyiség (molszám) állandó tartása.

Ez a törvény, valamint Charles, Gay-Lussac, Charles és Avogadro törvényével együtt leírja az ideális gáz viselkedését; különösen egy zárt tartályban, amelyet mechanikai erő által kiváltott térfogat-változásoknak vetnek alá.

Növeli a nyomást a tartály térfogatának csökkentésével. Forrás: Gabriel Bolívar

A fenti kép röviden összefoglalja a Boyle-Mariotte törvényt.

A lila pontok olyan gázmolekulákat vagy atomokat képviselnek, amelyek ütköznek a tartály belső falával (balra). Ahogyan a tartályban rendelkezésre álló hely vagy térfogat csökken ezzel a gázzal, az ütközések növekednek, ami nyomásnövekedéshez vezet (jobbra).

Ez azt mutatja, hogy a gáz P nyomása és V térfogata fordítottan arányos, ha a tartály hermetikusan zárva van; különben a nagyobb nyomás megegyezik a tartály nagyobb tágulásával.

Ha V gráfot készítünk P ellen, az V és P adatokkal az Y és X tengelyen, akkor egy aszimptotikus görbét kell megfigyelni. Minél kisebb a V, annál nagyobb a P növekedése; vagyis a görbe az X tengelyen a P magas értékei felé halad.

Természetesen a hőmérséklet állandó marad; de ha ugyanazt a kísérletet különféle hőmérsékleteken hajtanák végre, akkor ezeknek a V és P görbéknek a relatív helyzete megváltozik a derékszög tengelyen. A változás még nyilvánvalóbb lenne, ha egy háromdimenziós tengelyen ábrázolnánk, és T állandó a Z tengelyen.

Boyle-törvény története

Háttér

Mivel a Galileo Galilei tudós kifejezte a vákuum létezéséhez fűződő hitét (1638), a tudósok elkezdték tanulmányozni a levegő és a részleges üregek tulajdonságait.

Az angol-ír vegyész, Robert Boyle 1638-ban kezdte meg a levegő tulajdonságainak tanulmányozását, amikor megtudta, hogy Otto von Guericke, egy német mérnök és fizikus épített levegőszivattyút.

Higany kísérlet

A légnyomás vizsgálata céljából Boyle „J” alakú üvegcsövet használt, amelynek felépítését Robert Hooke, a Boyle asszisztens tulajdonította. A rövid kar végét lezárták, míg a cső hosszú karjának vége nyitva volt a higany elhelyezéséhez.

Boyle a kezdetektől a levegő rugalmasságát kívánta kvalitatív és kvantitatív módon tanulmányozni. Boyle azzal, hogy a higanyt a „J” cső nyitott végén öntötte, megállapította, hogy a cső rövid karjában a levegő a higany nyomása alatt zsugorodik.

Eredmények

Minél nagyobb mennyiségű higanyt adunk a csőhöz, annál nagyobb a nyomás a levegőre, és annál kisebb a térfogata. Boyle a nyomás függvényében negatív exponenciális típusú légtérmennyiséget kapott.

Eközben, ha a levegő mennyiségét a nyomás inverzével szemben ábrázoljuk, akkor egy egyenes vonallal rendelkezik, pozitív lejtőn.

1662-ben Boyle közzétette az első fizikai törvényt, amelyet egyenlet formájában adtak meg, amely két változó funkcionális függőségét mutatta. Ebben az esetben a nyomás és a térfogat.

Boyle rámutatott, hogy fordított kapcsolat van a gázra kifejtett nyomás és a gáz által elfoglalt térfogat között, ez a viszony viszonylag igaz a valós gázokra. A legtöbb gáz ideális gázként viselkedik mérsékelt hőmérsékleten és nyomáson.

Ahogy magasabb nyomás és alacsonyabb hőmérséklet fordult elő, a valódi gázok viselkedésében az ideáktól való eltérések észrevehetőbbé váltak.

Edme mariotte

A francia fizikus, Edme Mariotte (1620-1684) önállóan fedezte fel ugyanezt a törvényt 1679-ben. De annak érdeme volt megmutatni, hogy a térfogat a hőmérséklettől függ. Ezért hívják Mariotte-törvénynek, vagy Boyle és Mariotte-törvénynek.

A törvény megerősítése

Daniel Bernoulli (1737) megerősítette a Boyle-törvényt, rámutatva, hogy egy gáz nyomását a gáz részecskéknek a benne lévő tartály falára gyakorolt ​​hatása okozza.

1845-ben John Waterston tudományos cikket tett közzé, amelyben a gázok kinetikai elméletének alapelveire összpontosított.

Később Rudolf Clausius, James Maxwell és Ludqwig Boltzmann megerősítették a gázok kinetikai elméletét, amely a gáz által kifejtett nyomást a mozgásban lévő gázrészecskék sebességével kapcsolja össze.

Minél kisebb a gázt tartalmazó tartály térfogata, annál nagyobb a részecskék ütéseinek gyakorisága, amelyek azt képezik a tartály falával szemben; és ezért minél nagyobb a gáz nyomása.

Miről szól ez a törvény?

A Boyle által végzett kísérletek azt mutatják, hogy fordított kapcsolat van a gáz által elfoglalt térfogat és a rá gyakorolt ​​nyomás között. A feltüntetett kapcsolat azonban nem teljesen lineáris, amint azt a Boyle-nak tulajdonított nyomás függvényében a térfogatváltozás grafikonja mutatja.

Boyle-törvény szerint a gáz által elfoglalt térfogat fordítottan arányos a nyomással. Azt is jelezzük, hogy a gáz nyomásának és térfogatának szorzata állandó.

Matematikai kifejezés

A Boyle-Mariotte-törvény matematikai kifejezéséhez az alábbiak szerint kezdjük:

V ∝ 1 / P

Ahol azt jelzi, hogy a gáz által elfoglalt térfogat fordítottan arányos a nyomásával. Van azonban egy állandó, amely diktálja, milyen fordítottan arányos ez a kapcsolat.

V = k / P

Ahol k az arányosság állandója. A k megoldása:

VP = k

A gáz nyomásának és térfogatának szorzata állandó. Így:

V ₁ P ₁ = k és V ₂ P ₂ = k

És ebből arra lehet következtetni, hogy:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Ez utóbbi a Boyle-törvény utolsó kifejezése vagy egyenlete.

Mire való? Milyen problémákat old meg Boyle törvénye?

Gőzgép

Gőzmozdony. Forrás: Pixabay.

A Boyle-Mariotte törvényt alkalmazzák a gőzgép működtetésében. Ez egy külső égésű motor, amely egy bizonyos mennyiségű víz hőenergiájának mechanikus energiává történő átalakítását használja fel.

A vizet egy hermetikusan lezárt kazánban hevítik, és a keletkező gőz nyomást gyakorol a Boyle-Mariote törvény szerint, amely egy henger térfogatnövelését eredményezi egy dugattyú nyomásával.

A dugattyú lineáris mozgása forgómozgássá alakul át egy összekötő rúd és forgattyús rendszer használatával, amely mozgatja a mozdony kerekeit vagy az elektromos generátor forgórészét.

Jelenleg az alternatív gőzgép egy kevésbé használt motor, mivel a villamos motor és a belső égésű motor a szállító járművekben kiszorította azt.

Korty italokat

Az üdítőital vagy gyümölcslé egy üvegből egy műanyag csövön keresztül történő kiszívása a Boyle-Mariotte törvényhez kapcsolódik. Amikor a száját szívja ki a csövet a levegőből, csökken a nyomás a csőben.

Ez a nyomásesés megkönnyíti a folyadék felfelé történő mozgását a csőben, lehetővé téve annak bejutását. Ugyanez az elv működik a vér fecskendő segítségével történő felvételén is.

Légzőrendszer

Légzőrendszer. Forrás: Pixabay

A Boyle-Mariotte törvény szorosan kapcsolódik a légzőrendszer működéséhez. Az inspiráció során a membrán és más izmok összehúzódnak; például a külső interkostális növények, amelyek kibővítik a borda ketrecét.

Ez csökkenti az intrapleurális nyomást, és tüdőtágulást okoz, ami növeli a tüdő térfogatát. Ezért az intrapulmonalis nyomás a Boyle-Mariotte törvény szerint csökken.

Amint a pulmonális nyomás atmoszférikusvá válik, a légköri levegő áramlik a tüdőbe, ami növeli a nyomást a tüdőben; így egyenlővé teszi nyomását a légköri nyomással, és lezárja az inspirációs fázist.

Ezt követően a belégző izmok ellazulnak és a kilégző izmok összehúzódnak. Ezen túlmenően a tüdő rugalmas visszahúzódása is egy olyan jelenség, amely csökkenti a tüdő térfogatát, és ennek következtében az intrapulmonális nyomás növekedését magyarázza a Boyle-Mariotte törvény.

Ahogy a pulmonális nyomás növekszik, és meghaladja a légköri nyomást, a levegő a tüdő belsejéből a légkörbe áramlik. Ez addig zajlik, amíg a nyomások kiegyenlülnek, és ez a kilégzési szakasz lezárul.

Példák (kísérletek)

1. kísérlet

Egy kicsi, hermetikusan zárt ballont helyezünk el, és a fecskendő belsejében egy csomót készítünk a szájába, ahonnan a dugattyú ki lett húzva, körülbelül 20 ml-es. A fecskendő dugattyúját a fecskendő közepe felé helyezzük, a tűt kihúzzuk, és a levegő bemeneti nyílása eltömődött.

Megfigyelés

Az injektor dugattyújának lassú húzásával megfigyelhető, hogy a ballon felfújódik.

Magyarázat

Két nyomást gyakorolunk a ballon falára: nyomást gyakorolunk annak belső oldalára, a ballon belsejében lévő levegő termékére, és egy másik nyomást gyakorolunk a ballon külső felületére, amelyet a fecskendőben lévő levegő gyakorol.

Az injektor dugattyújának meghúzásával belsejében félig vákuum jön létre. Ezért a szivattyú falának külső felületén lévő légnyomás csökken, ami viszonylag magasabb a szivattyú belsejében kifejtett nyomáson.

Ez a nettó nyomás, a Boyle-Mariote törvény szerint, a ballon falának kiszorulását és a ballon térfogatának növekedését eredményezi.

2. kísérlet

Egy műanyag palackot körülbelül felére vágnak, ügyelve arra, hogy a vágás a lehető vízszintes legyen. A palack szájába szorosan illeszkedő ballont helyeznek, ugyanakkor egy bizonyos mennyiségű vizet egy mély tányérba helyeznek.

Megfigyelés

Ha a palack alját és a léggömböt az edényben lévő víz fölé helyezi, a ballon mérsékelten felfújódik.

Magyarázat

A víz kiszorítja egy bizonyos mennyiségű levegőt, növelve a légnyomást a palack falán és a ballon belsejében. Ez a Boyle-Mariotte törvény szerint a ballon térfogatának növekedését okozza, amelyet a ballon felfújása mutat.

Irodalom

1. Wikipedia. (2019). Boyle törvénye. Helyreállítva: en.wikipedia.org
2. Az Encyclopaedia Britannica szerkesztői. (2018. július 27.) Boyle törvénye. Encyclopædia Britannica. Helyreállítva: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (2018. december 05.). Boyle törvényének képlete. Helyreállítva: gondolat.com
4. Fiatal indiai filmek. (2018. május 15.) Boyle törvénye: Tudományos kísérlet gyerekeknek. Helyreállítva: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (2011. május 22.). Hőlégballon. Meghatározás ABC. Helyreállítva: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Orvosi élettan. (19. kiadás). A Modern Kézikönyv szerkesztése.