BOYLE-MARIOTTE ZAKON: POVIJEST, IZRAZ, PRIMJERI - KEMIJA - 2025

Zakon Boyle-Mariotte je onaj koji izražava odnos između pritiska na plin ili na njega i količine koju zauzima; održavajući konstantnu temperaturu plina i njegovu količinu (broj mola).

Ovaj zakon, zajedno s zakonima Charlesa, Gay-Lussaca, Charlesa i Avogadra, opisuje ponašanje idealnog plina; posebno u zatvorenom spremniku izloženom volumenskim promjenama koje djeluju mehanički.

Povećajte tlak smanjujući volumen spremnika. Izvor: Gabriel Bolívar

Slika gore ukratko sažima Boyle-Mariotteov zakon.

Ljubičaste točkice predstavljaju molekule ili atome plina koji se sudaraju s unutarnjim zidovima spremnika (lijevo). Kako se smanjuje prostor ili volumen u spremniku zauzetom ovim plinom, sudari se povećavaju, što znači porast tlaka (desno).

To pokazuje da su tlak P i volumen V plina obrnuto proporcionalni ako je spremnik hermetički zatvoren; u suprotnom, veći pritisak bi bio jednak većem širenju spremnika.

Kad bi se napravio grafikon V prema P, s podacima V i P na Y i X osi, promatrat će se asimptotska krivulja. Što je V manji, to je veći P; to jest, krivulja će se proširiti prema visokim vrijednostima P na X osi.

Naravno, temperatura ostaje konstantna; ali, ako bi se isti eksperiment izveo na različitim temperaturama, relativni položaji ovih V krivulja na P mijenjali bi se na kartezijanskoj osi. Promjena bi bila još očitija ako se nacrta na trodimenzionalnoj osi, s konstantom T na osi Z.

Povijest Boyleovog zakona

pozadina

Otkako je znanstvenik Galileo Galilei izrazio uvjerenje u postojanje vakuuma (1638.), znanstvenici su počeli proučavati svojstva zraka i djelomičnih praznina.

Anglo-irski kemičar Robert Boyle započeo je svoje istraživanje svojstava zraka 1638. godine saznavši da je Otto von Guericke, njemački inženjer i fizičar, izgradio zračnu pumpu.

Eksperiment s živom

Za provođenje studija o tlaku zraka, Boyle je koristio staklenu cijev u obliku slova J, čija je konstrukcija pripisana Robertu Hookeu, Boyleovu pomoćniku. Kraj kratke ruke bio je zapečaćen, dok je kraj dugog kraka cijevi bio otvoren za postavljanje žive.

Od početka je Boyle želio proučavati elastičnost zraka, kvalitativno i kvantitativno. Dolijevanjem žive kroz otvoreni kraj cijevi "J", Boyle je zaključio da se zrak u kratkom kraku cijevi steže pod pritiskom žive.

Rezultati

Što je veća količina žive dodana u cijev, veći je tlak na zraku i manji je njegov volumen. Boyle je dobio crtanje negativnog eksponencijalnog tipa volumena zraka kao funkciju pritiska.

U međuvremenu, ako se zapremina zraka crta nasuprot inverznom tlaku, imamo ravnu crtu s pozitivnim nagibom.

Godine 1662. Boyle je objavio prvi fizički zakon koji je dan u obliku jednadžbe, koji je ukazivao na funkcionalnu ovisnost dviju varijabli. U ovom slučaju, tlak i volumen.

Boyle je istaknuo da postoji obrnuta veza između pritiska na plin i volumena koji plin zauzima, pri čemu je ovaj odnos relativno istinit za stvarne plinove. Većina plinova ponaša se poput idealnih plinova pri umjerenim temperaturama i pritiscima.

Kako su se pojavili viši pritisci i niže temperature, odstupanja u ponašanju stvarnih plinova od ideala postajala su vidljivija.

Edme mariotte

Francuski fizičar Edme Mariotte (1620.-1684.) Neovisno je otkrio isti zakon 1679. No, zaslugom je pokazao da volumen varira s temperaturom. Zbog toga se naziva Mariotteov zakon ili Boyleov i Mariotteov zakon.

Jačanje zakona

Daniel Bernoulli (1737.) ojačao je Boyleov zakon istaknuvši da pritisak plina nastaje utjecajem plinskih čestica na stijenke spremnika koji ga sadrže.

John Waterston je 1845. objavio znanstveni članak u kojem se usredotočio na glavna načela kinetičke teorije plinova.

Kasnije su Rudolf Clausius, James Maxwell i Ludqwig Boltzmann učvrstili kinetičku teoriju plinova, koja povezuje pritisak koji vrši pritisak sa brzinom gasnih čestica u pokretu.

Što je manja zapremina spremnika koji sadrži plin, veća je učestalost udara čestica koje ga tvore na stijenke spremnika; i prema tome, veći je pritisak koji vrši plin.

O čemu se radi u ovom zakonu?

Eksperimenti koje je provodio Boyle pokazuju da postoji obrnuta veza između volumena koji zauzima plin i pritiska na njega. Međutim, naznačeni odnos nije potpuno linearan, što pokazuje grafikon promjene volumena kao funkcije tlaka koji se pripisuje Boyleu.

Boyleov zakon kaže da je zapremina koju zauzima plin obrnuto proporcionalna tlaku. Također je naznačeno da je produkt tlaka plina i njegovog volumena konstantan.

Matematički izraz

Da bismo došli do matematičkog izraza Boyle-Mariotte zakona, polazimo od:

V ∝ 1 / P

Tamo gdje je naznačeno da je zapremina plina obrnuto proporcionalna njegovom tlaku. Međutim, postoji konstanta koja diktira koliko je taj odnos obrnuto proporcionalan.

V = k / P

Gdje je k konstanta proporcionalnosti. Rješavanje za k imamo:

VP = k

Proizvod pritiska plina i njegovog volumena su konstantni. Tako:

V ₁ P ₁ = k i V ₂ P ₂ = k

I iz ovoga se može zaključiti da:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Potonji je konačni izraz ili jednadžba za Boyleov zakon.

Čemu služi? Koje probleme rješava Boyleov zakon?

Parni motori

Parni vlak. Izvor: Pixabay.

Zakon o Boyle-Mariotte primjenjuje se u radu parnih motora. To je motor s vanjskim sagorijevanjem koji koristi transformaciju toplinske energije količine vode u mehaničku energiju.

Voda se zagrijava u hermetički zatvorenom bojleru, a proizvedena para vrši pritisak prema Boyle-Mariote zakonu koji stvara volumno širenje cilindra pritiskom na klip.

Linearno kretanje klipa pretvara se u rotacijski pokret, pomoću priključnog štapa i sustava radilice, koji može pokretati kotače lokomotive ili rotora električnog generatora.

Trenutno je alternativni parni stroj malo korišteni motor, budući da ga je pomaknuo elektromotor i motor s unutarnjim izgaranjem u transportnim vozilima.

Pijuckajte pića

Radnja usisavanja bezalkoholnog pića ili soka iz boce kroz plastičnu epruvetu povezana je sa Boyle-Mariotte zakonom. Kad se zrak usisa iz cijevi pomoću usta, smanjuje se tlak unutar cijevi.

Taj pad tlaka olakšava pomicanje tekućine u cijevi prema gore, omogućavajući njegovo gutanje. Taj isti princip djeluje u izvlačenju krvi upotrebom šprice.

Dišni sustav

Dišni sustav. Izvor: Pixabay

Zakon Boyle-Mariotte usko je povezan s funkcioniranjem dišnog sustava. Tijekom faze inspiracije, dijafragma i drugi mišići se stežu; na primjer, vanjski interkostalci koji proizvode ekspanziju rebra.

To uzrokuje smanjenje intrapleuralnog tlaka, uzrokujući širenje pluća koje uzrokuje povećanje volumena pluća. Stoga se intrapulmonalni tlak smanjuje prema Boyle-Mariotte zakonu.

Kako intrapulmonalni tlak postaje subatmosferski, atmosferski zrak teče u pluća, što uzrokuje porast tlaka u plućima; tako izjednačava svoj tlak s atmosferskim tlakom i zaključuje fazu inspiracije.

Nakon toga se inspiracioni mišići opuštaju i ekspiracijski mišići se stežu. Pored toga, postoji elastično povlačenje pluća, fenomen koji stvara smanjenje volumena pluća, s posljedičnim povećanjem intrapulmonalnog tlaka, objasnio je Boyle-Mariotte zakon.

Kako se intrapulmonalni tlak povećava i postaje veći od atmosferskog tlaka, zrak izlazi iz unutrašnjosti pluća u atmosferu. To se događa sve dok se pritisci ne izjednače, čime se zaključuje faza izdaha.

Primjeri (eksperimenti)

Pokus 1

Postavlja se mali, hermetički zatvoreni balon, koji čini čvor u ustima, unutar šprice, iz koje je klip povučen, od oko 20 ml. Klip brizgalice postavljen je prema sredini štrcaljke, igla se povuče i ulaz zraka blokira.

zapažanje

Laganim povlačenjem klipa injektora, opaža se napuhavanje balona.

Obrazloženje

Na zid balona djeluju dva pritiska: pritisak na njegovo unutarnje lice, proizvod zraka koji se nalazi unutar balona i drugi pritisak na vanjsku stranu balona, ​​koji djeluje od zraka koji se nalazi u štrcaljki.

Izvlačenjem klipa mlaznice, iznutra se stvara polu vakuum. Zbog toga se tlak zraka na vanjskoj strani zida crpke smanjuje, što čini pritisak koji se vrši unutar crpke relativno veći.

Taj neto tlak, prema Boyle-Mariote zakonu, proizvest će odvajanje stijenke balona i povećanje volumena balona.

Eksperiment 2

Plastična boca izrezana je približno na pola, osiguravajući da je rez što horizontalniji. Čvrsto prilijepljeni balon stavlja se u usta boce, istodobno se određena količina vode stavi u duboku ploču.

zapažanje

Stavljajući dno boce s balonom iznad vode u posudu, balon se umjereno napuhava.

Obrazloženje

Voda istiskuje određenu količinu zraka, povećavajući pritisak zraka na zidu boce i na unutrašnjosti balona. To uzrokuje, prema Boyle-Mariotte zakonu, povećanje volumena balona, ​​što se vizualizira napuhavanjem balona.

Reference

1. Wikipedia. (2019). Boyleov zakon. Oporavilo sa: en.wikipedia.org
2. Urednici Encyclopaedia Britannica. (27. srpnja 2018.). Boyleov zakon. Encyclopædia Britannica. Oporavilo od: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (05. prosinca 2018.). Formula za Boyleov zakon. Oporavilo od: misel.com
4. Mladi indijski filmovi. (15. svibnja 2018.). Boyleov zakon: Znanstveni eksperiment za djecu. Oporavilo od: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (22. svibnja 2011.). Balon na vrući zrak. Definicija ABC. Oporavilo sa: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Medicinska fiziologija. (19. izdanje). Uredništvo Modernog priručnika.