BOYLE-MARIOTTE ZAKON: ZGODOVINA, IZRAZ, PRIMERI - KEMIJA - 2026

Zakon Boyle-Mariotte je tisti, ki izraža razmerje med pritiskom plina ali na plin in količino, ki jo zaseda; ohranjanje tako temperature plina konstantno kot tudi njegove količine (število molov).

Ta zakon, skupaj z zakoni Charlesa, Gay-Lussaca, Charlesa in Avogadra, opisuje obnašanje idealnega plina; zlasti v zaprti posodi, ki je bila podvržena spremembam prostornine, ki jih povzroča mehanska sila.

Povišanje tlaka z zmanjšanjem prostornine posode. Vir: Gabriel Bolívar

Zgornja slika na kratko povzema zakon Boyle-Mariotte.

Vijolične pike predstavljajo molekule plina ali atome, ki trčijo v notranje stene posode (levo). Ko se prostor ali prostornina, ki sta na voljo v posodi, ki jo zaseda ta plin, zmanjšujeta, se trki povečajo, kar pomeni, da se poveča tlak (desno).

To kaže, da sta tlak P in prostornina V plina obratno sorazmerna, če je posoda hermetično zaprta; v nasprotnem primeru bi višji tlak pomenil večje širjenje posode.

Če bi naredili graf V proti P, bi s podatki V in P na osi Y in X opazili asimptotično krivuljo. Manjši je V, večji je porast P; to pomeni, da se bo krivulja razširila proti visokim vrednostm P na osi X.

Seveda temperatura ostane konstantna; vendar, če bi isti poskus izvedli pri različnih temperaturah, bi se relativni položaji teh krivulj V proti P spremenili na kartezijanski osi. Sprememba bi bila še bolj očitna, če bi risali na tridimenzionalni osi, s konstanto T na osi Z.

Zgodovina Boyleovega zakona

Ozadje

Ker je znanstvenik Galileo Galilei izrazil prepričanje o obstoju praznine (1638), so znanstveniki začeli preučevati lastnosti zraka in delnih praznin.

Anglo-irski kemik Robert Boyle je začel proučevati lastnosti zraka leta 1638, ko je izvedel, da je Otto von Guericke, nemški inženir in fizik, zgradil zračno črpalko.

Poskus z živim srebrom

Za izvedbo svojih študij zračnega tlaka je uporabil stekleno cev v obliki črke "J", katerega konstrukcija je bila pripisana Robertu Hookeu, Boyleovemu pomočniku. Konec kratke roke je bil zapečaten, konec dolge roke cevi pa je bil odprt za postavitev živega srebra.

Boyle je že od začetka želel preučevati elastičnost zraka, kvalitativno in kvantitativno. Z nalivanjem živega srebra skozi odprt konec cevi "J" je Boyle ugotovil, da se zrak v kratkem roku cevi krči pod pritiskom živega srebra.

Rezultati

Večja količina živega srebra, dodane v cev, večji je pritisk na zrak in manjši je njegov volumen. Boyle je dobil negativni eksponentni prikaz obsega volumna zraka kot funkcije tlaka.

Medtem, če je količina zraka narisana proti obratnemu tlaku, imamo ravno črto s pozitivnim naklonom.

Leta 1662 je Boyle objavil prvi fizikalni zakon, ki je bil podan v obliki enačbe, ki je nakazoval funkcionalno odvisnost dveh spremenljivk. V tem primeru tlak in prostornina.

Boyle je opozoril, da obstaja pritisk na povratni odnos med pritiskom na plin in količino plina, ki ga zaseda, pri čemer je to razmerje resnično pri pravih plinih. Večina plinov se ob zmernih temperaturah in tlakih obnaša kot idealni plini.

Ko so se pojavili višji pritiski in nižje temperature, so postajala odstopanja v obnašanju resničnih plinov od idealov bolj opazna.

Edme mariotte

Francoski fizik Edme Mariotte (1620-1684) je isti zakon samostojno odkril leta 1679. Toda zasluga je pokazala, da se prostornina spreminja glede na temperaturo. Zato se imenuje Mariotteov zakon ali Boyle in Mariotte's Law.

Krepitev zakona

Daniel Bernoulli (1737) je okrepil Boylov zakon tako, da je poudaril, da tlak plina nastane zaradi udarcev plinskih delcev na stene posode, ki ga vsebuje.

John Waterston je leta 1845 objavil znanstveni članek, v katerem se je osredotočil na glavna načela kinetične teorije plinov.

Kasneje so Rudolf Clausius, James Maxwell in Ludqwig Boltzmann utrdili kinetično teorijo plinov, ki povezuje tlak, ki ga izvaja plin, s hitrostjo delcev plina v gibanju.

Manjši kot je prostornina posode, ki vsebuje plin, večja je frekvenca udarcev delcev, ki ga tvorijo ob stene posode; in zato je večji tlak plina večji.

O čem govori ta zakon?

Poskusi, ki jih je izvedel Boyle, kažejo, da je med prostornino plina in pritiskom nanj obratno razmerje. Vendar navedeno razmerje ni povsem linearno, na kar kaže graf spreminjanja volumna kot funkcije tlaka, ki je dodeljen Boyleu.

Boylov zakon navaja, da je prostornina plina obratno sorazmerna s tlakom. Navedeno je tudi, da je produkt tlaka plina in njegove prostornine stalen.

Matematični izraz

Da pridemo do matematičnega izraza zakona Boyle-Mariotte, izhajamo iz:

V ∝ 1 / P

Kjer pomeni, da je prostornina plina obratno sorazmerna z njegovim tlakom. Vendar pa obstaja stalnica, ki narekuje, kako obratno je sorazmeren ta odnos.

V = k / P

K je stalnica sorazmernosti. Reševanje za k imamo:

VP = k

Produkt tlaka plina in njegove prostornine je stalen. Torej:

V ₁ P ₁ = k in V ₂ P ₂ = k

Iz tega je mogoče razbrati, da:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Slednje je končni izraz ali enačba Boyleovega zakona.

Za kaj gre? Katere težave rešuje Boyleov zakon?

Parni motorji

Parni vlak. Vir: Pixabay.

Zakon o Boyle-Mariotte se uporablja pri delovanju parnih strojev. Gre za motor z zunanjim zgorevanjem, ki uporablja pretvorbo toplotne energije količine vode v mehansko.

Voda segreva v hermetično zaprtem kotlu, proizvedena para pa pritiska po zakonu Boyle-Mariote, ki s pritiskom na bat ustvari prostorninsko razširitev valja.

Linearno gibanje bata se spremeni v rotacijsko gibanje z uporabo povezovalne palice in ročičnega sistema, ki lahko poganja kolesa lokomotive ali rotorja električnega generatorja.

Trenutno je alternativni parni stroj malo uporabljan motor, saj ga je v transportnih vozilih izpodrinil elektromotor in motor z notranjim zgorevanjem.

Sip pijače

Dejanje sesanja brezalkoholne pijače ali soka iz steklenice skozi plastično cev je povezano z zakonom Boyle-Mariotte. Ko se zrak iz sesalnika izsesa s pomočjo ust, pride do znižanja tlaka v cevi.

Ta padec tlaka olajša gibanje tekočine v cevi, kar omogoča zaužitje. To isto načelo deluje tudi pri odvzemu krvi s pomočjo brizge.

Dihalni sistem

Dihalni sistem. Vir: Pixabay

Zakon Boyle-Mariotte je tesno povezan z delovanjem dihal. Med fazo navdiha se diafragma in druge mišice krčijo; na primer zunanji interkostalci, ki proizvajajo razširitev rebraste kletke.

To povzroči znižanje intraplevralnega tlaka, kar povzroči razširitev pljuč, ki povzroči povečanje volumna pljuč. Zato se intrapulmonalni tlak po zakonu Boyle-Mariotte zmanjšuje.

Ko postane intrapulmonalni tlak subatmosferski, se atmosferski zrak steka v pljuča, kar povzroči zvišanje tlaka v pljučih; tako izenači svoj tlak z atmosferskim tlakom in zaključi fazo navdiha.

Nato se inspiratorne mišice sprostijo in ekspiracijske mišice se skrčijo. Poleg tega obstaja elastična umik pljuč, pojav, ki povzroči zmanjšanje pljučnega volumna s posledičnim povečanjem intrapulmonalnega tlaka, razloži zakon Boyle-Mariotte.

Ko se intrapulmonalni tlak poveča in postane večji od atmosferskega, se iz notranjosti pljuč v ozračje pretaka zrak. Do tega pride, dokler se tlaki ne izenačijo, kar zaključi fazo izdiha.

Primeri (poskusi)

Preizkus 1

Vstavite majhen, hermetično zaprt balon, ki v ustih, iz katerega je bil umaknjen bat, približno 20 ml, ustvari vozel v ustih. Bat brizge namestite proti sredini brizge, igla se umakne in dovod zraka je blokiran.

Opazovanje

S počasnim vlečenjem bat injektorja opazimo, da balon napihuje.

Pojasnilo

Na steno balona delujeta dva pritiska: pritisk na njegovo notranjo stran, produkt zraka, ki ga vsebuje balon, in drugi pritisk na zunanjo stran balona, ​​ki ga izvaja zrak, ki ga vsebuje brizga.

Z vlečenjem bat injektorja se v notranjosti ustvari napol vakuum. Zato se zračni tlak na zunanji strani stene črpalke zmanjša, zaradi česar je tlak v črpalki relativno višji.

Ta neto tlak po zakonu Boyle-Mariote bo povzročil odmik stene balona in povečanje prostornine balona.

Preizkus 2

Plastično steklenico razrežemo približno na polovico, s čimer zagotovimo, da je rez čim bolj vodoraven. Tesno prilegajoč se balon postavite v usta steklenice, hkrati pa je določena količina vode postavljena v globoko ploščo.

Opazovanje

Če dno steklenice z balonom postavite nad vodo v posodo, se balon zmerno napihne.

Pojasnilo

Voda izpodrine določeno količino zraka, kar poveča zračni tlak na steni steklenice in notranjosti balona. To povzroča, po zakonu Boyle-Mariotte, povečanje prostornine balona, ​​ki se ponazarja z napihovanjem balona.

Reference

1. Wikipedija. (2019). Boyleov zakon. Pridobljeno: en.wikipedia.org
2. Uredniki Encyclopeedia Britannica. (27. julij 2018). Boyleov zakon. Encyclopædia Britannica. Pridobljeno: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (05. december 2018). Formula za Boyleov zakon. Pridobljeno: misel.com
4. Mladi indijski filmi. (15. maj 2018). Boylov zakon: znanstveni eksperiment za otroke. Pridobljeno: yifindia.com
5. Cecilia Bembibre. (22. maj 2011). Balon na vroč zrak. Opredelitev ABC. Pridobljeno: definicionabc.com
6. Ganong, W, F. (2003). Medicinska fiziologija. (19. izdaja). Uredništvo Sodobnega priročnika.