ЗАКОНЪТ НА БОЙЛ-МАРИОТА: ИСТОРИЯ, ИЗРАЗ, ПРИМЕРИ - ХИМИЯ - 2025

Законът на Бойл-Мариот е този, който изразява връзката между налягането, упражнено от или върху газ, и обема, който заема; поддържане както температурата на газа постоянна, така и нейното количество (брой молове).

Този закон, заедно с този на Чарлз, Гей-Лусак, Чарлз и Авогадро, описва поведението на идеален газ; по-специално в затворен контейнер, подложен на промени в обема, упражнени от механична сила.

Увеличаване на налягането чрез намаляване на обема на контейнера. Източник: Габриел Боливар

Изображението по-горе накратко обобщава закона на Бойл-Мариот.

Лилавите точки представляват газови молекули или атоми, които се сблъскват с вътрешните стени на контейнера (вляво). С намаляването на пространството или обема в контейнера, зает от този газ, сблъсъците се увеличават, което се превръща в повишаване на налягането (вдясно).

Това показва, че налягането P и обем V на газа са обратно пропорционални, ако контейнерът е херметически затворен; в противен случай по-високото налягане би било равно на по-голямо разширяване на контейнера.

Ако беше направена графика V спрямо P, с данните на V и P по осите Y и X, съответно, ще се наблюдава асимптотична крива. Колкото по-малък е V, толкова по-голямо е увеличението на P; това означава, че кривата ще се простира към високи стойности на P по оста X.

Разбира се, температурата остава постоянна; но, ако един и същ експеримент се проведе при различни температури, относителните положения на тези криви V срещу P биха се променили на декартовата ос. Промяната ще бъде още по-очевидна, ако се начертае върху триизмерна ос, с T константа по оста Z.

История на закона на Бойл

Заден план

Тъй като ученият Галилео Галилей изразил вярата си в съществуването на вакуум (1638 г.), учените започнали да изучават свойствата на въздуха и частичните празнини.

Англо-ирландският химик Робърт Бойл започва изследването си върху свойствата на въздуха през 1638 г., като научава, че Ото фон Герике, немски инженер и физик, е построил въздушна помпа.

Експеримент с живак

За да проведе изследванията си за налягането на въздуха, Бойл използва стъклена тръба във формата на J, чиято конструкция се приписва на Робърт Хук, асистент на Бойл. Краят на късото рамо беше запечатан, докато краят на дългата ръка на тръбата беше отворен, за да постави живака.

От самото начало Бойл искаше да изучи еластичността на въздуха, качествено и количествено. Изливайки живак през отворения край на "J" тръбата, Бойл заключи, че въздухът в късото рамо на тръбата се свива под натиска на живака.

Резултати

Колкото по-голямо е количеството живак, добавено към тръбата, толкова по-голямо е налягането, упражнено върху въздуха и по-малък е неговият обем. Бойл получи отрицателен експоненциален график на обема на въздуха като функция на налягането.

Междувременно, ако обемът на въздуха е начертан спрямо обратното налягане, имаме права линия с положителен наклон.

През 1662 г. Бойл публикува първия физически закон, който е даден под формата на уравнение, което показва функционалната зависимост на две променливи. В този случай налягането и обемът.

Бойл посочи, че е налице обратна връзка между налягането, упражнено върху газ, и обема, който газът заема, като тази връзка е относително вярна за реалните газове. Повечето газове се държат като идеални газове при умерени температури и налягане.

С настъпването на по-високи налягания и по-ниски температури отклоненията в поведението на реалните газове от идеалите стават все по-забележими.

Edme mariotte

Френският физик Едме Мариот (1620-1684 г.) независимо открива същия закон през 1679 г. Но заслугата е да покаже, че обемът варира в зависимост от температурата. Ето защо той се нарича Закон на Мариот или Закон на Бойл и Мариот.

Засилване на закона

Даниел Бернули (1737) укрепи закона на Бойл, като посочи, че налягането на газ се произвежда от въздействието на газовите частици върху стените на контейнера, който го съдържа.

През 1845 г. Джон Уотърстън публикува научна статия, в която се фокусира върху основните принципи на кинетичната теория на газовете.

По-късно Рудолф Клаузиус, Джеймс Максуел и Лудвиг Болтцман консолидират кинетичната теория за газовете, която свързва налягането, упражнено от газ, със скоростта на газовите частици в движение.

Колкото по-малък е обемът на контейнера, който съдържа газ, толкова по-голяма е честотата на ударите на частиците, които го образуват върху стените на контейнера; и следователно, колкото по-голямо е налягането, упражнявано от газа.

За какво е този закон?

Експериментите, проведени от Бойл, показват, че има обвързана връзка между обема, зает от газ, и налягането върху него. Посочената връзка обаче не е напълно линейна, както е показано от графика на изменение на обема като функция на налягането, приписвано на Бойл.

Законът на Бойл посочва, че обемът, зает от газ, е обратно пропорционален на налягането. Също така е посочено, че произведението на налягането на газ и неговия обем е постоянно.

Математически израз

За да стигнем до математическия израз на закона Бойл-Мариот, започваме от:

V ∝ 1 / P

Където показва, че обемът, зает от газ, е обратно пропорционален на неговото налягане. Има обаче константа, която диктува колко обратно пропорционална е тази връзка.

V = k / P

Къде k е константа на пропорционалност. Решаване на k имаме:

VP = k

Продуктът от налягането на даден газ и неговият обем е постоянен. Така:

V ₁ P ₁ = k и V ₂ P ₂ = k

И от това може да се заключи, че:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Последното е крайният израз или уравнение за закона на Бойл.

За какво е? Какви проблеми решава законът на Бойл?

Парни двигатели

Парен влак. Източник: Pixabay

Законът на Бойл-Мариот се прилага при работа на парни двигатели. Това е двигател с външно горене, който използва трансформацията на топлинната енергия на количество вода в механична енергия.

Водата се загрява в херметически затворен котел и произведената пара упражнява налягане съгласно закона на Бойл-Мариот, който произвежда разширяване на обема на цилиндър чрез натискане на буталото.

Линейното движение на буталото се трансформира във въртеливо движение, чрез използване на свързващ прът и система на коляновия вал, който може да задвижва колелата на локомотив или ротора на електрически генератор.

В момента алтернативната парна машина е малко използван двигател, тъй като е изместена от електродвигателя и двигателя с вътрешно горене в транспортните превозни средства.

Отпийте напитки

Действието на засмукване на безалкохолна напитка или сок от бутилка през пластмасова епруветка е свързано със закона на Бойл-Мариот. Когато въздухът се изсмуква от тръбата с помощта на устата, се наблюдава намаляване на налягането в тръбата.

Този спад на налягането улеснява движението нагоре на течността в епруветката, като позволява нейното поглъщане. Същият този принцип работи при изтегляне на кръв чрез използване на спринцовка.

Дихателната система

Дихателната система. Източник: Pixabay

Законът на Бойл-Мариот е тясно свързан с функционирането на дихателната система. По време на фазата на вдъхновение диафрагмата и другите мускули се свиват; например, външните интеркостали, които произвеждат разширяване на ребрата.

Това причинява намаляване на вътреплевралното налягане, което води до разширяване на белите дробове, което води до увеличаване на обема на белите дробове. Поради това интрапулмоналното налягане намалява според закона на Бойл-Мариот.

Тъй като интрапулмоналното налягане става субатмосферно, атмосферният въздух се влива в белите дробове, което причинява повишаване на налягането в белите дробове; по този начин се приравнява налягането му с атмосферното налягане и завършва фазата на вдъхновение.

Впоследствие инспираторните мускули се отпускат и експираторните мускули се свиват. Освен това има еластично прибиране на белите дробове, явление, което води до намаляване на обема на белите дробове, с последващо увеличаване на интрапулмоналното налягане, обяснено от закона на Бойл-Мариот.

Тъй като интрапулмоналното налягане се увеличава и става по-голямо от атмосферното налягане, въздухът тече от вътрешната страна на белите дробове към атмосферата. Това се случва, докато наляганията се изравнят, което завършва фазата на издишване.

Примери (експерименти)

Експеримент 1

Поставя се малък херметически затворен балон, който прави възел в устата си, вътре в спринцовка, от която е изтеглено буталото, приблизително 20 ml. Буталото на спринцовката се поставя към средата на спринцовката, иглата се изтегля и входът за въздух е блокиран.

наблюдение

Чрез бавно издърпване на буталото на инжектора се наблюдава надуване на балона.

обяснение

Два натиска се оказват върху стената на балона: натиск върху вътрешната му страна, продукт на въздуха, който се съдържа вътре в балона, и друг натиск върху външната страна на балона, упражнен от въздуха, съдържащ се в спринцовката.

Издърпвайки буталото на инжектора, вътре се създава полувакуум. Следователно налягането на въздуха върху външната страна на стената на помпата намалява, което прави налягането, упражнявано вътре в помпата, относително по-високо.

Това нетно налягане, според закона на Бойл-Мариот, ще доведе до разкъсване на стената на балона и увеличаване на обема на балона.

Експеримент 2

Пластмасова бутилка се разрязва приблизително наполовина, като се гарантира, че разрезът е възможно най-хоризонтален. В устата на бутилката се поставя плътно прилепващ балон, като в същото време определено количество вода се поставя в дълбока чиния.

наблюдение

Поставяйки дъното на бутилката с балона над водата в чинията, балонът се надува умерено.

обяснение

Водата измества определено количество въздух, увеличавайки налягането на въздуха върху стената на бутилката и вътрешността на балона. Това причинява, според закона на Бойл-Мариот, увеличаване на обема на балона, което се визуализира от надуването на балона.

Препратки

1. Wikipedia. (2019). Законът на Бойл Възстановено от: en.wikipedia.org
2. Редакторите на Encyclopaedia Britannica. (27 юли 2018 г.). Законът на Бойл Encyclopædia Britannica. Възстановено от: britannica.com
3. Хелменстин, Тод. (05 декември 2018 г.). Формулата за закона на Бойл. Възстановено от: thinkco.com
4. Млади индийски филми. (15 май 2018 г.). Закон на Бойл: Научен експеримент за деца. Възстановени от: yifindia.com
5. Сесилия Бембибре. (22 май 2011 г.). Балон с горещ въздух. Определение ABC. Възстановено от: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Медицинска физиология. (19 издание). Редактиране на съвременния наръчник.