BOYLE-MARIOTTES LAG: HISTORIA, UTTRYCK, EXEMPEL - KEMI - 2026

Den Boyle-Mariotte rätten är en som uttrycker förhållandet mellan det tryck som utövas av eller på en gas, och volymen den upptar; hålla både temperaturen på gasen konstant, såväl som dess mängd (antal mol).

Denna lag, tillsammans med Charles, Gay-Lussac, Charles och Avogadro, beskriver beteendet hos en idealisk gas; specifikt i en sluten behållare utsatt för volymförändringar utövade av en mekanisk kraft.

Ökning i tryck genom att minska behållarens volym. Källa: Gabriel Bolívar

Bilden ovan sammanfattar kort Boyle-Mariotte-lagen.

De lila prickarna representerar gasmolekyler eller atomer, som kolliderar med innerväggarna i behållaren (vänster). När utrymmet eller volymen som finns i behållaren som upptas av denna gas minskar ökar kollisionerna, vilket innebär en ökning av trycket (höger)

Detta visar att trycket P och volym V för gasen är omvänt proportionellt om behållaren är hermetiskt stängd; annars skulle ett högre tryck motsvara en större expansion av behållaren.

Om en graf V mot P gjordes, med data för V respektive P på Y- och X-axlarna, skulle en asymptotisk kurva observeras. Ju mindre V, desto större ökning i P; dvs kurvan sträcker sig mot höga värden på P på X-axeln.

Naturligtvis förblir temperaturen konstant; men om samma experiment genomfördes vid olika temperaturer skulle de relativa positionerna för dessa V-P-kurvor förändras på den kartesiska axeln. Förändringen skulle bli ännu tydligare om den plottas på en tredimensionell axel, med T konstant på Z-axeln.

Historia om Boyle's Law

Bakgrund

Eftersom forskaren Galileo Galilei uttryckte sin tro på förekomsten av ett vakuum (1638) började forskare att studera egenskaperna hos luft och delvis tomrum.

Den anglo-irländska kemisten Robert Boyle började sin studie av luftens egenskaper 1638 efter att han fick veta att Otto von Guericke, en tysk ingenjör och fysiker, hade byggt en luftpump.

Kvicksilver-experiment

För att genomföra sina studier av lufttrycket använde Boyle ett "J" -format glasrör, vars konstruktion tillskrivs Robert Hooke, en assistent för Boyle. Slutet på den korta armen tätades, medan änden av rörets långa arm var öppen för att placera kvicksilver.

Från början ville Boyle studera luftens elasticitet, kvalitativt och kvantitativt. Genom att hälla kvicksilver genom den öppna änden av "J" -röret drog Boyle slutsatsen att luften i rörets korta arm dragit sig samman under kvicksilvertrycket.

Resultat

Ju större mängd kvicksilver som tillsätts röret, desto större tryck utövas på luften och desto mindre blir dess volym. Boyle erhöll en negativ exponentiell typ av luftvolym som funktion av tryck.

Under tiden, om volymen av luft plottas mot det inversa av trycket, har vi en rak linje med en positiv lutning.

År 1662 publicerade Boyle den första fysiska lagen som gavs i form av en ekvation, vilket indikerade det funktionella beroendet av två variabler. I detta fall trycket och volymen.

Boyle påpekade att det fanns ett omvänt förhållande mellan trycket som utövades på en gas och volymen som gasen upptog, varvid detta förhållande var relativt sant för verkliga gaser. De flesta gaser uppför sig som ideala gaser vid måttliga temperaturer och tryck.

När högre tryck och lägre temperaturer inträffade blev avvikelser i verkliga gasers beteende från ideal mer märkbara.

Edme mariotte

Den franska fysikern Edme Mariotte (1620-1684) upptäckte oberoende samma lag 1679. Men det hade fördelen att visa att volymen varierar med temperaturen. Det är därför det kallas Mariottes lag eller Boyle och Mariottes lag.

Förstärkning av lagen

Daniel Bernoulli (1737) förstärkte Boyle's Law genom att påpeka att trycket på en gas produceras av påverkan av gaspartiklarna på väggarna i behållaren som innehåller den.

1845 publicerade John Waterston en vetenskaplig artikel, där han fokuserade på huvudprinciperna för den kinetiska teorin om gaser.

Senare konsoliderade Rudolf Clausius, James Maxwell och Ludqwig Boltzmann den kinetiska teorin om gaser, som hänför sig till trycket som utövas av en gas med gaspartiklarnas hastighet i rörelse.

Ju mindre volym av behållaren som innehåller en gas, desto större är frekvensen av påverkan av partiklarna som bildar den mot behållarens väggar; och därför, desto större är trycket som utövas av gasen.

Vad handlar den här lagen om?

Experimenten som utförts av Boyle indikerar att det finns ett omvänt förhållande mellan volymen som upptas av en gas och det tryck som utövas på den. Det angivna förhållandet är emellertid inte helt linjärt, vilket indikeras av en graf för volymvariation som en funktion av tryck som tillskrivs Boyle.

Boyle's Law indikerar att volymen som upptas av en gas är omvänt proportionell mot trycket. Det indikeras också att produkten från gasens tryck och dess volym är konstant.

Matematiskt uttryck

För att komma fram till det matematiska uttrycket i Boyle-Mariotte-lagen börjar vi från:

V ∝ 1 / P

Där indikerar att volymen som upptas av en gas är omvänt proportionell mot dess tryck. Det finns dock en konstant som dikterar hur omvänt proportionellt detta förhållande är.

V = k / P

Där k är proportionalitetens konstant. Lösning för k har vi:

VP = k

Produkten av gastrycket och dess volym är konstant. Så:

V ₁ P ₁ = k och V ₂ P ₂ = k

Och av detta kan man dra slutsatsen att:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Det senare är det slutliga uttrycket eller ekvationen för Boyle's lag.

Vad är det för? Vilka problem löser Boyles lag?

Ångmotorer

Ånglok. Källa: Pixabay.

Boyle-Mariotte-lagen tillämpas vid drift av ångmotorer. Det är en förbränningsmotor som använder omvandlingen av värmeenergin i en mängd vatten till mekanisk energi.

Vattnet värms upp i en hermetiskt tillsluten panna, och den ånga som produceras utövar ett tryck enligt Boyle-Mariote-lagen som ger en volymutvidgning av en cylinder genom att trycka en kolv.

Kolvans linjära rörelse omvandlas till en rotationsrörelse genom användning av en anslutningsstav och vevsystem, som kan driva hjulen på ett lok eller en elektrisk generator.

För närvarande är den alternativa ångmotorn en liten begagnad motor, eftersom den har förskjutits av elmotorn och förbränningsmotorn i transportfordon.

Smutta på drycker

Åtgärden att suga en läsk eller juice från en flaska genom ett plaströr är relaterat till Boyle-Mariotte-lagen. När luft sugs ut ur röret med munnen, är det en minskning av trycket i röret.

Detta tryckfall underlättar vätskans rörelse uppåt i röret, vilket tillåter intag. Samma princip fungerar när man drar blod genom användning av en spruta.

Andningssystem

Andningssystem. Källa: Pixabay

Boyle-Mariotte-lagen är nära besläktad med andningsorganens funktion. Under inspirationsfasen dras membranet och andra muskler samman; till exempel de externa interkostalerna som producerar en expansion av ribborgen.

Detta orsakar en minskning av det intrapleurala trycket, vilket orsakar en lungutvidgning som ger en ökning av lungvolymen. Därför minskar det intrapulmonala trycket enligt Boyle-Mariotte-lagen.

När intrapulmonärt tryck blir subatmospheric, flyter atmosfärisk luft in i lungorna, vilket orsakar en ökning av trycket i lungorna; därmed jämnar trycket till atmosfärstrycket och avslutar inspirationsfasen.

Därefter slappnar de inspirerande musklerna och utandningsmusklerna dras samman. Dessutom finns det elastisk lungintrång, ett fenomen som ger en minskning av lungvolymen, med en följd av ökad intrapulmonär tryck, förklaras av Boyle-Mariotte-lagen.

När intrapulmonärt tryck ökar och blir större än atmosfärstrycket, flyter luft från insidan av lungorna till atmosfären. Detta inträffar tills trycket utjämnas, vilket avslutar utandningsfasen.

Exempel (experiment)

Experiment 1

En liten, hermetiskt stängd ballong placeras, vilket gör en knut i munnen, inuti en spruta, från vilken kolven har dragits tillbaka, på cirka 20 ml. Kolven på sprutan placeras mot mitten av sprutan, nålen dras tillbaka och luftinloppet blockeras.

Observation

Genom att långsamt dra i injektorns kolv observeras ballongen att blåsa upp.

Förklaring

Två tryck utövas på ballongens vägg: ett tryck på dess inre yta, en produkt av luften inne i ballongen, och ytterligare ett tryck på ballongens yttre yta, utövas av luften i sprutan.

Genom att dra in kolven i injektorn skapas ett halvvakuum inuti. Därför minskar lufttrycket på pumpväggens ytteryta, vilket gör att trycket som utövas inuti pumpen är relativt högre.

Detta nettotryck, enligt Boyle-Mariote-lagen, kommer att ge en störning av ballongens vägg och en ökning av ballongens volym.

Experiment 2

En plastflaska skärs ungefär i hälften, så att skäret är så horisontellt som möjligt. En tätt passande ballong placeras i flaskans mun, samtidigt placeras en viss mängd vatten i en djup platta.

Observation

Genom att placera bottnen på flaskan med ballongen över vattnet i skålen, blåses upp ballongen måttligt.

Förklaring

Vattnet förtränger en viss mängd luft, vilket ökar lufttrycket på flaskans vägg och ballongens insida. Detta orsakar enligt Boyle-Mariotte-lagen en ökning i ballongens volym, som visualiseras av ballongens uppblåsning.

referenser

1. Wikipedia. (2019). Boyle lag. Återställd från: en.wikipedia.org
2. Redaktörerna för Encyclopaedia Britannica. (27 juli 2018). Boyle lag. Encyclopædia Britannica. Återställd från: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (05 december 2018). Formeln för Boyle's Law. Återställd från: thoughtco.com
4. Unga indiska filmer. (15 maj 2018). Boyle's Law: Science Experiment For Kids. Återställd från: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (22 maj 2011). Luftballong. Definition ABC. Återställd från: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Medicinsk fysiologi. (19: e upplagan). Redigerar den moderna manualen.