Robert Boyle, un chimico irlandese vissuto dal 1627 al 1691, fu il primo a mettere in relazione il volume di un gas in uno spazio ristretto al volume che occupa. Ha scoperto che se si aumenta la pressione (P) su una quantità fissa di gas a una temperatura costante, il volume (V) diminuisce in modo tale che il prodotto di pressione e volume rimangano costanti. Se si abbassa la pressione, il volume aumenta. In termini matematici: PV = C, dove C è una costante. Questa relazione, nota come Legge di Boyle, è uno dei capisaldi della chimica. Perché succede? La solita risposta a questa domanda riguarda la concettualizzazione di un gas come una raccolta di particelle microscopiche che si muovono liberamente.

TL; DR (Troppo lungo, non letto)

La pressione di un gas varia inversamente con volume perché le particelle di gas hanno una quantità costante di energia cinetica a una temperatura fissa.

Un gas ideale

La legge di Boyle è uno dei precursori della legge del gas ideale, che afferma che PV = nRT, dove n è la massa del gas, T è la temperatura e R è la costante del gas. La legge del gas ideale, come la Legge di Boyle, è tecnicamente vera solo per un gas ideale, sebbene entrambe le relazioni forniscano buone approssimazioni a situazioni reali. Un gas ideale ha due caratteristiche che non si verificano mai nella vita reale. Il primo è che le particelle di gas sono elastiche al 100% e quando si colpiscono a vicenda o le pareti del contenitore, non perdono energia. La seconda caratteristica è che le particelle di gas ideali non occupano spazio. Sono essenzialmente punti matematici senza estensione. Gli atomi e le molecole reali sono infinitesimamente piccoli, ma occupano spazio.

Che cosa crea pressione?

Puoi capire come un gas esercita pressione sulle pareti di un contenitore solo se non lo fai Supponiamo che non abbiano un'estensione nello spazio. Una particella di gas reale non ha solo massa, ha energia di movimento o energia cinetica. Quando metti un gran numero di tali particelle insieme in un contenitore, l'energia che impartiscono alle pareti del contenitore crea pressione sulle pareti, e questa è la pressione a cui si riferisce la Legge di Boyle. Supponendo che le particelle siano altrimenti ideali, continueranno a esercitare la stessa quantità di pressione sulle pareti finché la temperatura e il numero totale di particelle rimarranno costanti e non modificherete il contenitore. In altre parole, se T, n e V sono costanti, allora la legge del gas ideale (PV = nRT) ci dice che P è costante.

Modifica il volume e altera la pressione

Ora supponiamo Permetti al volume del contenitore di aumentare Le particelle si allontanano ancora nel loro viaggio verso le pareti del contenitore, e prima di raggiungerle è probabile che subiscano più collisioni con altre particelle. Il risultato complessivo è che meno particelle colpiscono le pareti del contenitore e quelle che lo fanno hanno meno energia cinetica. Anche se sarebbe impossibile rintracciare le singole particelle in un contenitore, dato che numerano nell'ordine di 10 ^{23, possiamo osservare l'effetto complessivo. Questo effetto, registrato da Boyle e da migliaia di ricercatori dopo di lui, è che la pressione sui muri diminuisce.}

Nella situazione inversa, le particelle si ammucchiano quando si riduce il volume. Finché la temperatura rimane costante, hanno la stessa energia cinetica, e più di loro colpiscono le pareti più frequentemente, quindi la pressione sale.