Закон Бойля - Boyles law - Wikipedia

Анимация, показывающая соотношение между давлением и объемом, когда масса и температура остаются постоянными
Часть серии по
Механика сплошной среды
Гидравлическая механика
Жидкости
Жидкости
Газы
Плазма

Закон Бойля, также называемый Закон Бойля-Мариотта, или же Закон Мариотта (особенно во Франции), является экспериментальным газовое право это описывает, как давление из газ имеет тенденцию к увеличению, поскольку объем контейнера уменьшается. Современная формулировка закона Бойля:

Абсолютное давление, оказываемое данной массой идеальный газ обратно пропорционально занимаемому объему, если температура и количество газа остаются неизменными в течение закрытая система.[1][2]

Математически закон Бойля можно сформулировать так:

Давление обратно пропорционально объему

или же

Давление, умноженное на объем, равно некоторой постоянной

куда п давление газа, V - объем газа, а k это постоянный.

Уравнение утверждает, что произведение давления и объема является константой для данной массы ограниченного газа, и это сохраняется, пока температура постоянна. Для сравнения одного и того же вещества при двух разных наборах условий закон можно удобно выразить как:

Это уравнение показывает, что по мере увеличения объема давление газа пропорционально уменьшается. Точно так же, когда объем уменьшается, давление газа увеличивается. Закон был назван в честь химик и физик Роберт Бойл, опубликовавший первоначальный закон в 1662 году.[3]

История

Основная статья: История термодинамики
График исходных данных Бойля

Эта связь между давлением и объемом была впервые отмечена Ричард Таунли и Генри Пауэр в 17 веке.[4][5] Роберт Бойл подтвердили свое открытие путем экспериментов и опубликовали результаты.[6] В соответствии с Роберт Гюнтер и другие авторитеты, это был помощник Бойля, Роберт Гук, построивший экспериментальную установку. Закон Бойля основан на экспериментах с воздухом, который он считал жидкостью из частиц, находящихся в состоянии покоя между маленькими невидимыми пружинами. В то время воздух все еще рассматривался как один из четырех элементов, но Бойль не соглашался. Интерес Бойля, вероятно, заключался в понимании воздуха как важного элемента жизни;[7] например, он опубликовал работы о выращивании растений без воздуха.[8] Бойль использовал закрытую J-образную трубку и после заливки ртути с одной стороны заставил воздух с другой стороны сжаться под давлением ртути. Повторив эксперимент несколько раз и используя разное количество ртути, он обнаружил, что в контролируемых условиях давление газа обратно пропорционально занимаемому им объему.[9] Французский физик Эдме Мариотт (1620–1684) открыл тот же закон независимо от Бойля в 1679 году,[10] но Бойль уже опубликовал его в 1662 году.[9] Однако Мариотт обнаружил, что объем воздуха меняется в зависимости от температуры.[11] Таким образом, этот закон иногда называют законом Мариотта или законом Бойля – Мариотта. Позже, в 1687 г. в г. Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica, Ньютон математически показал, что в упругой жидкости, состоящей из покоящихся частиц, между которыми действуют силы отталкивания, обратно пропорциональные их расстоянию, плотность будет прямо пропорциональна давлению,[12] но этот математический трактат не является физическим объяснением наблюдаемой взаимосвязи. Вместо статической теории нужна кинетическая теория, которую два века спустя предоставил Максвелл и Больцман.

Этот закон был первым физическим законом, который был выражен в форме уравнения, описывающего зависимость двух переменных величин.[9]

Определение

Закон Бойля демонстрации

Сам закон можно сформулировать следующим образом:

При фиксированной массе идеальный газ при фиксированной температуре давление и объем обратно пропорциональны.[2]

Или закон Бойля - это закон газа, гласящий, что давление и объем газа имеют обратную зависимость. Если объем увеличивается, давление уменьшается, и наоборот, когда температура поддерживается постоянной.

Следовательно, когда объем уменьшается вдвое, давление увеличивается вдвое; а если объем увеличивается вдвое, давление уменьшается вдвое.

Связь с кинетической теорией и идеальными газами

Закон Бойля гласит, что при постоянной температуре объем данной массы сухого газа обратно пропорционален его давлению.

Большинство газов ведут себя как идеальные газы при умеренных давлениях и температурах. Технология 17 века не могла производить очень высокое давление или очень низкие температуры. Следовательно, на момент публикации в законе вряд ли были отклонения. Поскольку усовершенствования в технологии позволили повысить давление и снизить температуру, стали заметны отклонения от идеального поведения газа, и соотношение между давлением и объемом можно точно описать только с помощью настоящий газ теория.[13] Отклонение выражается как коэффициент сжимаемости.

Бойль (и Мариотт) вывели закон исключительно экспериментальным путем. Закон также может быть выведен теоретически на основе предполагаемого существования атомы и молекулы и предположения о движении и совершенно упругих столкновениях (см. кинетическая теория газов ). Эти предположения встретили огромное сопротивление в позитивист Однако научное сообщество в то время рассматривало их как чисто теоретические конструкции, для которых не было ни малейших наблюдательных свидетельств.

Даниэль Бернулли (в 1737–1738 гг.) вывел закон Бойля, применив Законы движения Ньютона на молекулярном уровне. Его игнорировали примерно до 1845 года, когда Джон Уотерстон опубликовал статью, в которой изложены основные положения кинетической теории; это было отклонено Королевское общество Англии. Более поздние работы Джеймс Прескотт Джоуль, Рудольф Клаузиус и, в частности, Людвиг Больцманн твердо установил кинетическая теория газов и привлек внимание к обеим теориям Бернулли и Уотерстона.[14]

Споры между сторонниками энергетика и атомизм привел Больцмана к написанию книги в 1898 году, которая выдерживала критику до его самоубийства в 1906 году.[14] Альберт Эйнштейн в 1905 г. показал, как кинетическая теория применима к Броуновское движение взвешенных в жидкости частиц, что было подтверждено в 1908 г. Жан Перрен.[14]

Уравнение

Отношения между Бойля, Чарльза, Гей-Люссака, Авогадро, комбинированный и законы идеального газа, с Постоянная Больцмана kB = р/NА = п R/N  (в каждом законе характеристики обведены переменные, а свойства, не обведенные кружком, остаются постоянными)

Математическое уравнение для закона Бойля:

куда:

  • п обозначает давление системы.
  • V обозначает объем газа.
  • k постоянное значение, представляющее температуру и объем системы.

Пока температура остается постоянным, то же самое количество энергии, отдаваемое системе, сохраняется на протяжении всей ее работы, и поэтому теоретически значение k останется постоянным. Однако из-за вывода давления как перпендикулярно приложенной силы и вероятной вероятности столкновений с другими частицами через теория столкновений, приложение силы к поверхности не может быть бесконечно постоянным для таких значений v, но будет предел когда дифференцирующий такие значения за заданное время. Принудительный объем V фиксированного количества газа для увеличения, поддерживая газ при первоначально измеренной температуре, давление п должно пропорционально уменьшаться. И наоборот, уменьшение объема газа увеличивает давление. Закон Бойля используется для предсказания результата изменения только объема и давления исходного состояния фиксированного количества газа.

Начальный и конечный объемы и давления фиксированного количества газа, где начальная и конечная температуры одинаковы (для выполнения этого условия потребуется нагрев или охлаждение), связаны уравнением:

Здесь п1 и V1 представляют собой исходное давление и объем, соответственно, и п2 и V2 представляют собой второе давление и объем.

Закон Бойля, Закон Чарльза, и Закон Гей-Люссака сформировать комбинированный газовый закон. Три закона газа в сочетании с Закон Авогадро можно обобщить закон идеального газа.

Система дыхания человека

Закон Бойля часто используется как часть объяснения того, как дыхание система работает в организме человека. Обычно это включает объяснение того, как объем легких может увеличиваться или уменьшаться и тем самым вызывать относительно более низкое или высокое давление воздуха внутри них (в соответствии с законом Бойля). Это создает разницу давлений между воздухом внутри легких и давлением окружающего воздуха, которое, в свою очередь, ускоряет вдох или выдох, когда воздух движется от высокого давления к низкому.[15]

Смотрите также

Связанные явления:

Другой газовые законы:

  • Закон Дальтона - Газовый закон, описывающий вклады давления составляющих газов в смеси
  • Закон Чарльза - Связь между объемом и температурой газа при постоянном давлении

Цитаты

  1. ^ Левин, Ира. N (1978). Бруклинский университет "Физическая химия": Макгроу-Хилл
  2. ^ а б Левин, Ира. Н. (1978), с. 12 дает исходное определение.
  3. ^ В 1662 г. он опубликовал второе издание книги 1660 г. Новые физико-механические эксперименты, прикосновение к воздушной пружине и ее последствия с дополнением К чему добавлена ​​защита авторской экспликации экспериментов против возражений Франциска Линуса и Томаса Гоббса; видеть J Appl Physiol 98: 31–39, 2005. (Jap.physiology.org Интернет.)
  4. ^ Видеть:
    • Генри Пауэр, Экспериментальная философия в трех книгах … (Лондон: напечатано Т. Ройкрофтом для Джона Мартина и Джеймса Аллестри, 1663 г.), стр. 126–130. Доступно в Интернете по адресу: Ранние английские книги в Интернете. На странице 130 Пауэр представляет (не очень ясно) соотношение между давлением и объемом данного количества воздуха: «Что мера Меркуриального стандарта и Меркуриального дополнения измеряется единственно их перпендикулярной высотой над Поверхностью. остающегося ртути в сосуде: Но Эр, расширение Эр, и Эр расширен, благодаря пространствам, которые они заполняют. Итак, теперь здесь четыре Пропорциональности, и с помощью любых трех данных вы можете вычеркнуть четвертую путем Преобразования, Транспозиции , и их деление. Так что с помощью этих аналогий вы можете предсказать эффекты, которые следуют во всех экспериментах с Меркуриями, и предварительно продемонстрировать их расчетом, прежде чем чувства дадут экспериментальное [изгнание] этого ». Другими словами, если известен объем V1 («Эр») заданного количества воздуха при давлении p1 («Меркуриальный стандарт», т.е. атмосферное давление на малой высоте), то можно предсказать объем V2 ("Эр расширенный") того же количества воздуха при давлении p2 («Меркуриальное дополнение», т. Е. Атмосферное давление на большей высоте) посредством пропорции (поскольку p1 V1 = p2 V2).
    • Чарльз Вебстер (1965). «Открытие закона Бойля и концепции упругости воздуха в семнадцатом веке», Архив истории точных наук, 2 (6): 441–502; см. особенно стр. 473–477.
    • Чарльз Вебстер (1963). «Ричард Таунли и закон Бойля», Природа, 197 (4864) : 226–228.
    • Роберт Бойль признал свои долги перед Таунли и Пауэр в: Р. Бойл, Защита доктрины, касающейся пружины и веса воздуха,… (Лондон, Англия: Томас Робинсон, 1662). Доступно в Интернете по адресу: Испанская La Biblioteca Virtual de Patrimonio Bibliográfico. На страницах 50, 55–56 и 64 Бойл цитирует эксперименты Таунли и Пауэра, показывающие, что воздух расширяется при понижении давления окружающей среды. На стр. 63, Бойль поблагодарил Таунли за помощь в интерпретации данных Бойля из экспериментов, связанных между давлением и объемом воздуха. (Также на стр. 64 Бойль признал, что Лорд Браункер также исследовал ту же тему.)
  5. ^ Джеральд Джеймс Холтон (2001). Физика, человеческое приключение: от Коперника до Эйнштейна и не только. Издательство Университета Рутгерса. С. 270–. ISBN  978-0-8135-2908-0.
  6. ^ Р. Бойл, Защита доктрины, касающейся пружины и веса воздуха,… (Лондон: Томас Робинсон, 1662 г.). Доступно в Интернете по адресу: Испанская La Biblioteca Virtual de Patrimonio Bibliográfico. Бойль представляет свой закон в «Главе V. Два новых эксперимента, касающихся меры силы сжатия и расширения сжатого и расширенного воздуха», стр. 57–68. На стр. 59, Бойль заключает, что «… тот же воздух, доведенный до степени плотности примерно вдвое большей, чем раньше, получает пружину в два раза сильнее, чем прежде». То есть удвоение плотности воздуха увеличивает его давление вдвое. Поскольку плотность воздуха пропорциональна его давлению, то для фиксированного количества воздуха произведение его давления на его объем является постоянным. На странице 60 он представляет свои данные о сжатии воздуха: «Таблица конденсации воздуха». Легенда (стр. 60), сопровождающая таблицу, гласит: «E. Каким должно быть давление в соответствии с Гипотеза, который предполагает, что давления и расширения находятся во взаимной зависимости ». На стр. 64 Бойль представляет свои данные о расширении воздуха:« Таблица разрежения воздуха ».
  7. ^ Документы Бойля, BP 9, л. 75в – 76р при BBK.ac.uk В архиве 2009-11-22 на Wayback Machine
  8. ^ Документы Бойля, BP 10, fol. 138в – 139р при BBK.ac.uk В архиве 2009-11-22 на Wayback Machine
  9. ^ а б c Ученые и изобретатели эпохи Возрождения. Британника Образовательное Издательство. 2012. С. 94–96. ISBN  978-1615308842.
  10. ^ Видеть:
    • Мариотт, Essais de Physique, ваши воспоминания о службе в науке и выборе природы,… (Париж, Франция: Э. Мишале, 1679 г.); «Второе эссе. De la nature de l'air».
    • (Мариотт, Эдме), Oeuvres de Mr. Mariotte, Королевская академия наук; …, Т. 1 (Лейден, Нидерланды: П. Вандер Аа, 1717 г.); особенно видеть С. 151–153.
    • Эссе Мариотты "De la nature de l'air" был рассмотрен Французской Королевской академией наук в 1679 году. См .: (Anon.) (1733) "Sur la nature de l'air", Histoire de l'Académie Royale des Sciences, 1 : 270–278.
    • Эссе Мариотты "De la nature de l'air" был также рассмотрен в Journal des Sçavans (потом: Journal des Savants) 20 ноября 1679 г. См .: (Анон.) (20 ноября 1679 г.) "Essais de Physique,…" Journal des SçavansС. 265–269.
  11. ^ Лей, Вилли (июнь 1966 г.). "Обновленная Солнечная система". Довожу до вашего сведения. Галактика Научная фантастика. С. 94–106.
  12. ^ Принципы, разд. V, проп. XXI, теорема XVI.
  13. ^ Левин, Ира. Н. (1978), с. 11 отмечает, что отклонения возникают при высоких давлениях и температурах.
  14. ^ а б c Левин, Ира. Н. (1978), с. 400 - Историческая справка о связи закона Бойля с кинетической теорией
  15. ^ Джеральд Дж. Тортора, Брайан Дикинсон, «Легочная вентиляция» в Основы анатомии и физиологии 11-е издание, Хобокен: John Wiley & Sons, Inc., 2006 г., стр. 863–867

внешняя ссылка