BOILE-MARIOTTE LIKUMS: VĒSTURE, IZPAUSME, PIEMĒRI - ĶĪMIJA - 2025

Boyle-Mariotte likums ir tāds, kas izsaka attiecību starp spiedienu, ko, vai uz gāzi, un apjomu, tas aizņem; saglabājot nemainīgu gan gāzes temperatūru, gan tā daudzumu (molu skaitu).

Šis likums kopā ar Kārļa, Geja-Lussaka, Čārlza un Avogadro likumu apraksta ideālas gāzes izturēšanos; it īpaši slēgtā tvertnē, kurai pakļautas tilpuma izmaiņas ar mehāniska spēka iedarbību.

Spiediena palielināšanās, samazinot tvertnes tilpumu. Avots: Gabriel Bolívar

Augšējā attēlā ir īsi apkopots Boile-Mariotte likums.

Sārtie punkti attēlo gāzes molekulas vai atomus, kas saduras ar tvertnes iekšējām sienām (pa kreisi). Samazinoties šīs gāzes aizņemtajam rezervuāra tilpumam vai tilpumam, sadursmes palielinās, kas nozīmē spiediena palielināšanos (labajā pusē).

Tas parāda, ka gāzes spiediens P un tilpums V ir apgriezti proporcionāli, ja tvertne ir hermētiski noslēgta; pretējā gadījumā lielāks spiediens būtu vienāds ar lielāku tvertnes izplešanos.

Ja tiktu veikts grafiks V pret P, attiecīgi ar V un P datiem uz Y un X asīm, tiktu novērota asimptotiska līkne. Jo mazāks V, jo lielāks ir P pieaugums; tas ir, līkne stiepjas pret augstām P vērtībām uz X ass.

Protams, temperatūra paliek nemainīga; bet, ja to pašu eksperimentu veiktu dažādās temperatūrās, šo V un P līkņu relatīvās pozīcijas mainītos uz Dekarta līniju. Izmaiņas būtu vēl redzamākas, ja tās attēlotu uz trīsdimensiju ass, ar T konstanci uz Z ass.

Boile likuma vēsture

Pamatinformācija

Kopš zinātnieks Galileo Galilei pauda pārliecību par vakuuma esamību (1638. gadā), zinātnieki sāka pētīt gaisa un daļēju tukšumu īpašības.

Angļu īru ķīmiķis Roberts Boils sāka pētīt gaisa īpašības 1638. gadā, uzzinot, ka vācu inženieris un fiziķis Otto fon Gēricke ir uzbūvējis gaisa sūkni.

Dzīvsudraba eksperiments

Lai veiktu gaisa spiediena pētījumus, Boilijs izmantoja “J” formas stikla caurulīti, kuras konstrukcija tika attiecināta uz Boileja asistentu Robertu Huku. Īsās rokas gals bija aizzīmogots, bet mēģenes garā roka gals bija atvērts, lai ievietotu dzīvsudrabu.

Jau no paša sākuma Boils gribēja kvalitatīvi un kvantitatīvi izpētīt gaisa elastību. Ielejot dzīvsudrabu caur "J" caurules atvērto galu, Boils secināja, ka gaiss caurules īsajā zarā sašaurinās zem dzīvsudraba spiediena.

Rezultāti

Jo lielāks dzīvsudraba daudzums tiek pievienots mēģenē, jo lielāks ir gaisa spiediens un jo mazāks ir tā tilpums. Boile ieguva negatīvu eksponenciālā tipa diagrammu par gaisa tilpumu kā spiediena funkciju.

Tikmēr, ja gaisa tilpums ir attēlots pret spiediena apgriezto vērtību, mums ir taisna līnija ar pozitīvu slīpumu.

1662. gadā Boyle publicēja pirmo fizisko likumu, kas tika dots vienādojuma veidā, kurš norādīja uz divu mainīgo funkcionālo atkarību. Šajā gadījumā spiediens un tilpums.

Boilijs norādīja, ka pastāv apgriezta saistība starp spiedienu, ko rada gāze, un tilpumu, ko gāze aizņem, šī attiecība ir relatīvi patiesa attiecībā uz reālām gāzēm. Lielākā daļa gāzu mēdz darboties kā ideālas gāzes mērenā temperatūrā un spiedienā.

Tā kā notika lielāks spiediens un zemāka temperatūra, reālo gāzu izturēšanās novirzes no ideāliem kļuva pamanāmākas.

Edme mariotte

Franču fiziķis Edme Mariotte (1620-1684) pats atklāja to pašu likumu 1679. gadā. Bet tam bija nopelns parādīt, ka tilpums mainās atkarībā no temperatūras. Tāpēc to sauc par Mariottes likumu vai Boileja un Mariottes likumu.

Likuma stiprināšana

Daniels Bernoulli (1737) stiprināja Boilas likumu, norādot, ka gāzes spiedienu rada gāzes daļiņu ietekme uz tvertnes sienām, kurā tas atrodas.

1845. gadā Džons Vaterstons publicēja zinātnisku rakstu, kurā viņš koncentrējās uz gāzu kinētiskās teorijas galvenajiem principiem.

Vēlāk Rūdolfs Klaišs, Džeimss Maksvels un Ludviks Boltzmans konsolidēja gāzu kinētisko teoriju, kas gāzes spiedienu saista ar kustībā esošu gāzes daļiņu ātrumu.

Jo mazāks ir tvertnes tilpums, kurā ir gāze, jo lielāks to daļiņu trieciena biežums, kas to veido pret tvertnes sienām; un tāpēc, jo lielāku spiedienu rada gāze.

Par ko ir šis likums?

Boilija veiktie eksperimenti norāda, ka pastāv apgriezta saistība starp gāzes aizpildīto tilpumu un spiedienu, kas uz to ir izdarīts. Tomēr norādītā sakarība nav pilnīgi lineāra, kā to parāda tilpuma variācijas grafiks kā Boila piedēvētā spiediena funkcija.

Boilija likums norāda, ka gāzes aizņemtais tilpums ir apgriezti proporcionāls spiedienam. Ir arī norādīts, ka gāzes spiediena un tilpuma reizinājums ir nemainīgs.

Matemātiskā izteiksme

Lai nonāktu pie Boile-Mariotte likuma matemātiskās izteiksmes, mēs sākam no:

V ∝ 1 / P

Kur norāda, ka gāzes aizņemtais tilpums ir apgriezti proporcionāls tās spiedienam. Tomēr pastāv pastāvība, kas diktē, cik apgriezti proporcionālas ir šīs attiecības.

V = k / P

Kur k ir proporcionalitātes konstante. Atrisinot k mums ir:

VP = k

Gāzes spiediena un tilpuma reizinājums ir nemainīgs. Tātad:

V ₁ P ₁ = k un V ₂ P ₂ = k

Un no tā var secināt, ka:

V ₁ P ₁ = V ₂ P ₂

Pēdējais ir Boile likuma galīgais izteiciens vai vienādojums.

Kam tas domāts? Kādas problēmas risina Boilas likums?

Tvaika dzinēji

Tvaika vilciens. Avots: Pixabay.

Boile-Mariotte likums tiek piemērots tvaika dzinēju darbībai. Tas ir ārdedzes dzinējs, kas izmanto ūdens daudzuma siltumenerģijas pārveidošanu mehāniskajā enerģijā.

Ūdens tiek uzkarsēts hermētiski noslēgtā katlā, un radītais tvaiks rada spiedienu saskaņā ar Boilas-Mariotes likumu, kas, izstumjot virzuli, rada cilindra tilpuma izplešanos.

Virzuļa lineārā kustība tiek pārveidota par rotācijas kustību, izmantojot savienojošo stieni un kloķa sistēmu, ar kuru var vadīt lokomotīves riteņus vai elektriskā ģeneratora rotoru.

Pašlaik alternatīvais tvaika dzinējs ir maz izmantots motors, jo to ir pārvietojuši elektromotors un iekšdedzes dzinējs transporta līdzekļos.

Malkojiet dzērienus

Bezalkoholiskā dzēriena vai sulas sūkšanas darbība no pudeles caur plastmasas caurulīti ir saistīta ar Boilas-Mariottes likumu. Kad caur muti izsūc gaisu, caurulē spiediens pazeminās.

Šis spiediena kritums atvieglo šķidruma kustību augšup caurulē, ļaujot to iekļūt. Šis pats princips darbojas asiņu ņemšanā, izmantojot šļirci.

Elpošanas sistēmas

Elpošanas sistēmas. Avots: Pixabay

Boile-Mariotte likums ir cieši saistīts ar elpošanas sistēmas darbību. Iedvesmas fāzē diafragma un citi muskuļi saraujas; piemēram, ārējie starpkostali, kas palielina ribu būru.

Tas izraisa intrapleirālā spiediena pazemināšanos, izraisot plaušu paplašināšanos, kas izraisa plaušu tilpuma palielināšanos. Tādēļ intraepulmonālais spiediens samazinās saskaņā ar Boiles-Mariottes likumu.

Tā kā intrapulmonālais spiediens kļūst subatmosfēras, plaušās ieplūst atmosfēras gaiss, kas izraisa spiediena palielināšanos plaušās; tādējādi pielīdzinot tā spiedienu ar atmosfēras spiedienu, un noslēdzot iedvesmas posmu.

Pēc tam iedvesmojošie muskuļi atslābst un izelpas muskuļi saraujas. Turklāt pastāv elastīga plaušu ievilkšana - parādība, kas izraisa plaušu tilpuma samazināšanos, attiecīgi palielinoties intrapulmonālam spiedienam, kas izskaidrots ar Boilas-Mariottes likumu.

Palielinoties intrapulmonālam spiedienam un kļūstot lielākam par atmosfēras spiedienu, gaiss plūst no plaušu iekšpuses uz atmosfēru. Tas notiek līdz brīdim, kad spiedieni izlīdzinās, kas noslēdz izelpas fāzi.

Piemēri (eksperimenti)

1. eksperiments

Ievieto nelielu, hermētiski noslēgtu balonu, šļirces iekšpusē, no kuras ir izņemts virzulis, veido mezglu apmēram 20 ml. Šļirces virzulis tiek novietots šļirces vidusdaļā, adata tiek izvilkta un gaisa ieplūde ir aizsprostota.

Novērošana

Lēnām velkot injektora virzuli, tiek novērots, ka balons piepūšas.

Paskaidrojums

Uz balona sienas tiek izdarīti divi spiedieni: spiediens uz tā iekšējo virsmu, gaisa iedarbības produkts, kas atrodas balona iekšpusē, un vēl viens spiediens uz balona ārējo virsmu, ko rada šļircē esošais gaiss.

Pavelkot inžektora virzuli, iekšpusē tiek izveidots pusvakuums. Tāpēc gaisa spiediens uz sūkņa sienas ārējo virsmu samazinās, padarot spiedienu sūkņa iekšpusē salīdzinoši augstāku.

Šis tīrais spiediens saskaņā ar Boile-Mariote likumu radīs balona sienas izliekumu un balona tilpuma palielināšanos.

2. eksperiments

Plastmasas pudeli sagriež apmēram uz pusēm, nodrošinot, ka griezums ir pēc iespējas horizontāls. Pudeles mutē ievieto cieši pieguļošu balonu, tajā pašā laikā dziļā plāksnē ievieto noteiktu daudzumu ūdens.

Novērošana

Novietojot pudeles dibenu ar balonu virs ūdens traukā, balons mēreni piepūšas.

Paskaidrojums

Ūdens izspiež noteiktu gaisa daudzumu, palielinot gaisa spiedienu uz pudeles sienu un balona iekšpusi. Tas saskaņā ar Boile-Mariotte likumu izraisa balona tilpuma palielināšanos, ko vizualizē balona piepūšanās.

Atsauces

1. Wikipedia. (2019. gads). Boilija likums. Atgūts no: en.wikipedia.org
2. Enciklopēdijas Britannica redaktori. (2018. gada 27. jūlijs). Boilija likums. Encyclopædia Britannica. Atgūts no: britannica.com
3. Helmenstine, Todd. (2018. gada 5. decembris). Boila likuma formula. Atgūts no: domaco.com
4. Jaunas indiešu filmas. (2018. gada 15. maijs). Boilija likums: zinātnisks eksperiments bērniem. Atgūts no: yifindia.com
5. Cecīlija Bembībre. (2011. gada 22. maijs). Gaisa balons. Definīcija ABC. Atgūts no: definicionabc.com
6. Ganongs, W, F. (2003). Medicīniskā fizioloģija. (19. izdevums). Mūsdienu rokasgrāmatas redakcija.