Закон Бойля

Закон Бойля это закон который только для идеальных газов, для реальных газов применим только при малых давлениях и высоких температурах.

При повышении давления показания расчетов уже значительно отличаются от теоретических.

Поэтому представляет собой экспериментально выведенный газовый закон, который описывает тенденцию увеличения давления газа по мере уменьшения объема, в который он заключен.

Что такое закон Бойля

Закон Бойля, также известный как закон Бойля Мариотта, как он известен во Франции, является экспериментальным газовым законом, который объясняет, как давление газа зависит от его объема.

Это говорит нам о том, как давление газа имеет тенденцию увеличиваться по мере уменьшения объема контейнера.

Выражаясь в современной научной форме, это можно сформулировать следующим образом:

абсолютное давление, оказываемое данной массой идеального газа, обратно пропорционально объему, в котором он находится, если количество газа и температура остаются неизменными в замкнутой системе.

Здесь мы должны понять, что такое определение идеального газа, что мы подразумеваем под замкнутой системой и отношением слова температура.

Теоретический газ, состоящий из множества произвольно движущихся точечных частиц, единственными взаимодействиями которых являются полностью упругие столкновения, известен как идеальный газ.

Теория идеального газа полезна, потому что она подчиняется закону идеального газа, упрощенному уравнению состояния, и может быть изменена для анализа в рамках статистической механики.

Когда был выведен закон Бойля

Но эта взаимосвязь между давлением и объемом была впервые задокументирована Ричардом Таунли и Генри Пауэром в 17 веке.

Роберт Бойл провел множество экспериментов, собрал и подтвердил их данные и опубликовал результаты.

Роберт Гук, который был помощником Бойла, построил экспериментальный аппарат, как полагали Роберт Гюнтер и другие авторитетные специалисты.

Этот закон основан на экспериментах с воздухом, который Бойль считал жидкостью из мелких частиц, находящихся в состоянии покоя между маленькими невидимыми пружинами.

В те времена было распространено убеждение, что воздух является одним из четырех элементов, но Бойл не был в союзе с этой концепцией.

Бойл твердо верил, что воздух является важным элементом жизни; и он опубликовал работы о росте растений без воздуха.

С помощью какого опыта был выведен закон

Используя закрытую J-образную трубку, Бойл вылил ртуть с одной стороны и таким образом заставил воздух, с другой стороны, сжаться под давлением ртути.

Он повторил эту процедуру эксперимента несколько раз, используя разное количество ртути, и после нескольких итераций обнаружил, что в контролируемых условиях давление газа обратно пропорционально объему, занимаемому им.

Эдж Мариотт (1620-1684) французский физик открыл тот же закон независимо от Бойля в 1679 году, но Бойль уже опубликовал его в 1662 году.

Мариотт, однако, обнаружил еще один факт, что объем воздуха меняется в зависимости от температуры.

Именно по этой причине этот закон иногда называют законом Мариотта или законом Бойля–Мариотта.

Ньютон в 1687 году опубликовал его в «Математических принципах философии природы», где он показал и математически доказал, что в упругой жидкости, состоящей из частиц, которые находятся в состоянии покоя и между которыми действуют силы отталкивания, обратно пропорциональные их расстоянию, плотность будет прямо пропорциональна давлению.

Но этот математический трактат не является физическим объяснением наблюдаемой взаимосвязи.

Вместо статической теории требовалась кинетическая теория, которая была предложена два столетия спустя, когда Максвелл и Больцман представили доказательства теорий.

Первый физический закон в виде уравнения

Закон Бойля был первым физическим законом, который был выражен в виде уравнения, описывающего зависимость двух переменных величин.

Закон Бойля может быть выражен математически следующим образом

P ∝ 1V,

т. е. сказать, что давление обратно пропорционально объему.

P x V = k, что означает, что если мы умножим давление на объем, то получим постоянную

где P-давление газа, V-объем газа, а k-постоянная.

Уравнение гласит, что если температура постоянна, то произведение давления и объема является постоянным для данной массы замкнутого газа, и это справедливо.

Теперь, для сравнения одного и того же вещества при двух разных наборах условий, закон может быть с пользой выражен следующим образом

P₁V₁ = P₂V₂

Выражение показывает, что при увеличении объема давление газа пропорционально уменьшается. Аналогично, по мере уменьшения объема давление газа увеличивается. Роберт Бойл опубликовал первоначальный закон в 1662 году, и поэтому закон был назван в его честь.

Это выражение означает, что если температура остается постоянной, то одинаковое количество энергии, отдаваемой системе, сохраняется на протяжении всей ее работы, и поэтому теоретически значение k останется постоянным.

Поскольку давление определяется как перпендикулярная приложенная сила и вероятностная вероятность столкновений с другими частицами с использованием теории столкновений, приложение мощности к поверхности может быть не бесконечно постоянным для таких значений v.

Но будет иметь предел при дифференцировании таких значений в течение заданного времени. Заставляя объем V фиксированного количества газа увеличиваться, сохраняя газ при первоначально измеренной температуре, давление p должно пропорционально уменьшаться.

Другими словами, говоря наоборот, уменьшение объема газа увеличивает давление. Закон Бойля используется для прогнозирования последствий изменения только давления и объема в исходном состоянии фиксированного количества газа.

Применение закона Бойля

Этот принцип используется и применяется в нашей повседневной жизни, даже когда мы готовим пищу с помощью скороварки. В еде говорится, что рис варится, когда вода закипает.

Мы все живем на планете Земля под атмосферным давлением, которое принимается за вес 13 мм ртутного столба.

Вода для приготовления риса кипит только при 100 градусах Цельсия при атмосферном давлении.

Теперь, используя этот принцип, вода в скороварке из тяжелого толстого металла закипает при более высокой температуре, увеличивая вес или вызывая быстрое повышение давления внутри варочного сосуда.

Это, в свою очередь, приводит к тому, что вода быстро достигает температуры кипения выше 100 градусов Цельсия, и рис также готовится за гораздо более короткое время, чем в открытой посуде.

Мы создаем замкнутую систему давления, когда закрываем крышку на плите, потому что закрываем кастрюлю. Возвращаясь к Закону идеального газа и уравнению

PV = nRT,

где P = давление, V= объем и T = температура (для полноты картины n= количество молей и R = газовая постоянная.

Но в этом случае они не изменятся, поэтому мы можем их игнорировать, и объем металлического горшка также на самом деле не изменится, мы тоже это проигнорируем). Следовательно, это уравнение применимо к замкнутой системе, и это состояние находится внутри скороварки.

Таким образом, в основном здесь мы имеем уравнение

P = T

Если вы увеличите давление, температура также увеличится, и наоборот.

Почему вода в закрытой кастрюле закипает быстрее

В открытой или неплотно закрытой кастрюле вода закипает при температуре 100 ° C (212 ° F) из-за воздействия атмосферного давления.

Пар, который испаряется из этого котла, также находится при температуре 100ºC (212ºF). Независимо от тепла, подаваемого в воду, она будет оставаться при температуре 100 ° C (212 ° F).

Если на кастрюлю надеть крышку, чтобы плотно закрыть ее и задержать пар внутри сосуда, давление внутри кастрюли повысится.

По мере повышения давления пар внутри бака под давлением и температура воды также повышаются по сравнению с нормальной температурой кипения 100ºC (212ºF).

Пример работы мультиварки по закону Бойля

Когда мы начнем нагревать плиту, внутреннее давление увеличится, и по мере увеличения давления внутренняя температура также повысится.

Это будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока не достигнет пускового давления предохранительных клапанов, примерно вдвое превышающего значение psi (показания давления) на уровне моря.

Как правило, для большинства химических реакций при увеличении температуры на каждые 10 ° C скорость реакции удваивается, что позволяет нам сократить время приготовления вдвое.

Повысив давление на ~15 фунтов на квадратный дюйм, вы можете тушить пищу при температуре ~250 ° F (121 ° C) и сократить время приготовления до четверти стандартного времени.

Тем не менее, вы также должны учитывать время, необходимое для достижения давления, а также время перезарядки, поэтому в итоге оно составляет примерно треть от первоначального времени, что по-прежнему является огромным сокращением.

Именно по этой причине скороварки готовят пищу очень быстро.