Газ қысымы мен көлемінің арақатынасы

Кіріспе

Газ қысымы мен көлемі арасындағы қатынас

Бойль заңы, сондай-ақ Бойль-Мариотт заңы немесе Мариотт заңы (әсіресе Францияда) деп аталады, бұл қысым мен шектелген газдың көлемі арасындағы байланысты сипаттайтын эмпирикалық газ заңы. Бойль заңы былай формулировкаланады: Егер жабық жүйеде газдың температурасы мен мөлшері өзгермейтін болса, идеалдық газдың белгілі бір массасының абсолюттік қысымы оның көлеміне кері пропорционал. Математикалық тұрғыдан Бойль заңын былай жазуға болады:

Қысым көлемге кері пропорционал

немесе

Қысымды көлемге көбейту нәтижесінде тұрақты сан k шығады,
мұнда P – газдың қысымы, V – газдың көлемі, ал k – тұрақты шама. Бойль заңына сәйкес, белгілі бір газ массасының температурасы тұрақты болғанда, оның қысымы мен көлемінің көбейтіндісі де тұрақты болады. Бір заттың екі түрлі жағдайдағы көрсеткіштерін салыстырғанда, заңды былай көрсетуге болады:

көлем артқан сайын газдың қысымы пропорционалды түрде төмендейді, және керісінше. Бойль заңы 1662 жылы алғаш рет осы заңды жариялаған Роберт Бойльдің есімімен аталады. Эквивалентті заң – француз физигі Эдме Мариоттың есімімен аталған Мариотт заңы.

Тарих

Қысым мен көлем арасындағы байланысты алғаш рет 17 ғасырда Ричард Таунли мен Генри Пауэр атап өтті. Роберт Бойль олардың ашуларын тәжірибелер арқылы растап, нәтижелерін жариялады. Роберт Гунтер және басқа да сарапшылардың айтуынша, осы тәжірибелерді Бойльдің көмекшісі Роберт Хук жасаған. Бойль заңы ауамен жүргізілген тәжірибелерге негізделген. Бойль газдармен тәжірибе жасауды ауаға деген қызығушылығынан бастаған болуы мүмкін, өйткені ол оны өмірдің маңызды құрауы деп есептеді; мысалы, ол ауасыз өсімдіктердің өсуі туралы еңбектер жариялаған. Бойль J әрпіне ұқсайтын жабық түтікше қолданып, бір жағынан сынап құйып, екінші жағындағы ауаны сынаптың қысымымен қысып, көлемін кеміткен. Тәжірибені бірнеше рет қайталап, сынаптың әртүрлі мөлшерін пайдаланғаннан кейін, ол газдың қысымы оның көлеміне кері пропорционалды екенін анықтады. Француз физигі Эдме Мариот (1620–1684) 1679 жылы Бойльдің бұл заңды жариялағаннан кейін, 1662 жылы тәуелсіз түрде дәл осы заңдылықты ашқан. Сондықтан бұл заң кейде Мариот заңы немесе Бойль-Мариот заңы деп аталады. Кейін, 1687 жылы «Табиғат философиясының математикалық принциптері» еңбегінде Ньютон математикалық тұрғыдан, тыныш жатқан бөлшектерден тұратын, олардың арасындағы тартымсыз күштер қашықтыққа кері пропорционалды болатын серпімді сұйықтықтағы тығыздық қысымға тура пропорционалды екенін көрсетті. Бірақ бұл математикалық тұжырымдамада Мариот температурасының тәуелділігі қарастырылмаған және байқалған қатынастың толыққанды физикалық түсіндірмесі емес. Статикалық теорияның орнына кинетикалық теория қажет болды, оны келесі екі ғасырда Даниель Бернулли (1738) және одан әрі Рудольф Клаузиус (1857), Максвелл және Болцман дамытты. Бұл заң екі өзгермелі шаманың байланысын сипаттайтын теңдеу түрінде тұңғыш рет айтылған физикалық заң болды. Ауытқулар қысылу коэффициенті арқылы көрсетіледі. Бойль (және Мариот) заңды тек тәжірибелер арқылы анықтады. Бұл заң атомдар мен молекулалардың бар екендігі және олардың қозғалысы мен толық серпімді соқтығысулары туралы болжамдарға негізделген теориялық тұрғыдан да шығарылуы мүмкін (газдардың кинетикалық теориясын қараңыз). Бұл болжамдар сол кездегі позитивистік ғылыми қауымдастықта үлкен қарсылыққа ұшырады, өйткені олар нақты байқаулармен расталмаған таза теориялық құрылымдар деп есептелді. Даниель Бернулли (1737–1738 жж.) молекулалық деңгейде Ньютонның қозғалыс заңдарын қолдану арқылы Бойль заңын шығарды. Ол 1845 жылға дейін, Джон Уотерстон кинетикалық теорияның негізгі қағидаларын баяндаған мақала жариялағанға дейін назардан тыс қалды; бірақ бұл мақала Англия Корольдік қоғамынан қабылданбады. Кейін Джеймс Прескотт Джоуль, Рудольф Клаузиус және әсіресе Людвиг Болцман газдардың кинетикалық теориясын нығайтып, Бернулли мен Уотерстонның теорияларына назар аударды. Энергетика мен атомизм жақтастары арасындағы пікірталас Болцманды 1898 жылы кітап жазуға итерді, ол 1906 жылы өзін-өзі өлтіргенге дейін сынға ұшырады.

The relationship between pressure and volume was first noted by Richard Towneley and Henry Power in the 17th century. Robert Boyle confirmed their discovery through experiments and published the results. According to Robert Gunther and other authorities, it was Boyle's assistant, Robert Hooke, who built the experimental apparatus. Boyle's law is based on experiments with air, which he considered to be a fluid of particles at rest in between small invisible springs. Boyle may have begun experimenting with gases due to an interest in air as an essential element of life; for example, he published works on the growth of plants without air. Boyle used a closed J shaped tube and after pouring mercury from one side he forced the air on the other side to contract under the pressure of mercury. After repeating the experiment several times and using different amounts of mercury he found that under controlled conditions, the pressure of a gas is inversely proportional to the volume occupied by it. The French physicist Edme Mariotte (1620–1684) discovered the same law independently of Boyle in 1679, after Boyle had published it in 1662. Thus this law is sometimes referred to as Mariotte's law or the Boyle–Mariotte law. Later, in 1687 in the Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, Newton showed mathematically that in an elastic fluid consisting of particles at rest, between which are repulsive forces inversely proportional to their distance, the density would be directly proportional to the pressure, but this mathematical treatise does not involve any Mariott temperature dependance and is not the proper physical explanation for the observed relationship. Instead of a static theory, a kinetic theory is needed, which was developed over the next two centuries by Daniel Bernoulli (1738) and more fully by Rudolf Clausius (1857), Maxwell and Boltzmann. This law was the first physical law to be expressed in the form of an equation describing the dependence of two variable quantities. The deviation is expressed as the compressibility factor. Boyle (and Mariotte) derived the law solely by experiment. The law can also be derived theoretically based on the presumed existence of atoms and molecules and assumptions about motion and perfectly elastic collisions (see kinetic theory of gases). These assumptions were met with enormous resistance in the positivist scientific community at the time, however, as they were seen as purely theoretical constructs for which there was not the slightest observational evidence. Daniel Bernoulli (in 1737–1738) derived Boyle's law by applying Newton's laws of motion at the molecular level. It remained ignored until around 1845, when John Waterston published a paper building the main precepts of kinetic theory; this was rejected by the Royal Society of England. Later works of James Prescott Joule, Rudolf Clausius and in particular Ludwig Boltzmann firmly established the kinetic theory of gases and brought attention to both the theories of Bernoulli and Waterston. The debate between proponents of energetics and atomism led Boltzmann to write a book in 1898, which endured criticism until his suicide in 1906.