Zákon z Boyle-Mariotte Je to ten, který vyjadřuje vztah mezi tlakem vyvíjeným na plyn nebo na něj a objemem, který zabírá; udržování konstantní teploty plynu i jeho množství (počet molů).
Tento zákon, společně s právem Charlese, Gay-Lussaca, Charlese a Avogadra, popisuje chování ideálního plynu; konkrétně v uzavřené nádobě vystavené objemovým změnám vyvíjeným mechanickou silou.
Obrázek nahoře stručně shrnuje zákon Boyle-Mariotte.
Fialové tečky představují molekuly nebo atomy plynu, které kolidují s vnitřními stěnami nádoby (vlevo). Jak se zmenšuje dostupný prostor nebo objem nádoby obsazené tímto plynem, kolize se zvětšují, což se promítá do zvýšení tlaku (vpravo).
To ukazuje, že tlak P a objem V plynu jsou nepřímo úměrné, pokud je nádoba hermeticky uzavřena; jinak by se vyšší tlak rovnal větší expanzi nádoby.
Pokud by byl vytvořen graf V proti P, s daty V a P na osách Y a X, byla by pozorována asymptotická křivka. Čím nižší V, tím větší nárůst P; to znamená, že se křivka rozšíří směrem k vysokým hodnotám P na ose X..
Teplota samozřejmě zůstává konstantní; ale pokud by byl stejný experiment prováděn při různých teplotách, relativní polohy těchto křivek V vs P by se změnily na kartézské ose. Změna by byla ještě zřetelnější, kdyby byla vynesena na trojrozměrnou osu s konstantou T na ose Z..
Rejstřík článků
Protože vědec Galileo Galilei vyjádřil víru v existenci vakua (1638), vědci začali studovat vlastnosti vzduchu a částečných dutin.
Anglo-irský chemik Robert Boyle zahájil studium vlastností vzduchu v roce 1638, když se dozvěděl, že německý inženýr a fyzik Otto von Guericke postavil vzduchové čerpadlo..
K provedení studií tlaku vzduchu použil Boyle skleněnou trubici ve tvaru „J“, jejíž konstrukci připisoval Robert Hooke, asistent Boyle. Konec krátkého ramene byl utěsněn, zatímco konec dlouhého ramene trubice byl otevřený, aby bylo možné umístit rtuť.
Od začátku chtěl Boyle kvalitativně a kvantitativně studovat pružnost vzduchu. Naléváním rtuti otevřeným koncem trubice „J“ Boyle odvodil, že vzduch v krátkém rameni trubice se pod tlakem rtuti stahuje..
Čím větší je množství rtuti přidané do trubice, tím větší je tlak vyvíjený na vzduch a tím menší je jeho objem. Boyle získal záporný graf exponenciálního typu objemu vzduchu jako funkci tlaku.
Mezitím, pokud je objem vzduchu vynesen proti inverzní hodnotě tlaku, máme přímku s kladným sklonem.
V roce 1662 Boyle publikoval první fyzikální zákon, který byl dán ve formě rovnice, která indikovala funkční závislost dvou proměnných. V tomto případě tlak a objem.
Boyle poukázal na to, že existuje inverzní vztah mezi tlakem vyvíjeným na plyn a objemem, který plyn zabíral, přičemž tento vztah platí relativně pro skutečné plyny. Většina plynů se chová jako ideální plyny při mírných teplotách a tlacích.
Jak se vyskytovaly vyšší tlaky a nižší teploty, byly znatelné odchylky v chování skutečných plynů od ideálů.
Francouzský fyzik Edme Mariotte (1620-1684) nezávisle objevil stejný zákon v roce 1679. Mělo to však tu výhodu, že ukázalo, že objem se mění s teplotou. Proto se nazývá Mariotteův zákon nebo Boyle a Mariotteův zákon..
Daniel Bernoulli (1737) posílil Boyleův zákon poukázáním na to, že tlak plynu je vytvářen dopady plynných částic na stěny nádoby, která jej obsahuje..
V roce 1845 publikoval John Waterston vědecký článek, ve kterém se zaměřil na hlavní principy kinetické teorie plynů..
Později Rudolf Clausius, James Maxwell a Ludqwig Boltzmann konsolidovali kinetickou teorii plynů, která souvisí s tlakem vyvíjeným plynem a rychlostí plynných částic v pohybu..
Čím menší je objem nádoby, která obsahuje plyn, tím větší je frekvence nárazů částic, které ji tvoří, na stěny nádoby; a proto čím větší je tlak vyvíjený plynem.
Pokusy provedené Boyleem naznačují, že existuje inverzní vztah mezi objemem obsazeným plynem a tlakem na něj vyvíjeným. Uvedený vztah však není zcela lineární, jak naznačuje graf variace objemu jako funkce tlaku přisuzovaného Boyleovi.
Boyleův zákon naznačuje, že objem obsazený plynem je nepřímo úměrný tlaku. Rovněž je naznačeno, že součin tlaku plynu a jeho objemu je konstantní.
Abychom dospěli k matematickému vyjádření zákona Boyle-Mariotte, začneme od:
V ∝ 1 / P
Kde naznačuje, že objem obsazený plynem je nepřímo úměrný jeho tlaku. Existuje však konstanta, která určuje, jak nepřímo úměrný je tento vztah.
V = k / P
Kde k je konstanta proporcionality. Řešení pro k máme:
VP = k
Produkt tlaku plynu a jeho objemu je konstantní. Pak:
PROTI1P1 = k a VdvaPdva = k
A z toho lze odvodit, že:
PROTI1P1 = VdvaPdva
Ten je konečným vyjádřením nebo rovnicí pro Boyleův zákon.
Boyle-Mariotteův zákon se uplatňuje při provozu parních strojů. Jedná se o motor s externím spalováním, který využívá přeměnu tepelné energie určitého množství vody na mechanickou energii.
Voda se ohřívá v hermeticky uzavřeném kotli a vyrobená pára vyvíjí tlak podle zákona Boyle-Mariote, který vytváří objemovou expanzi válce tlakem na píst.
Lineární pohyb pístu se transformuje na rotační pohyb pomocí systému spojovacích tyčí a klik, který může pohánět kola lokomotivy nebo rotor elektrického generátoru..
V současné době je alternativní parní stroj málo používaný motor, protože u dopravních prostředků byl nahrazen elektromotorem a spalovacím motorem.
Akce sání nealkoholického nápoje nebo džusu z láhve plastovou trubičkou souvisí s Boyle-Mariottovým zákonem. Když je vzduch nasáván z trubice ústy, dochází k poklesu tlaku uvnitř trubice.
Tento pokles tlaku usnadňuje pohyb kapaliny v trubici nahoru a umožňuje její požití. Stejný princip funguje při odběru krve pomocí injekční stříkačky..
Zákon Boyle-Mariotte úzce souvisí s fungováním dýchacího systému. Během inspirační fáze se bránice a další svaly stahují; například vnější intercostals, které produkují expanzi hrudního koše.
To způsobí pokles intrapleurálního tlaku, což způsobí expanzi plic, která způsobí zvýšení objemu plic. Proto podle zákona Boyle-Mariotte klesá intrapulmonální tlak.
Jak se intrapulmonální tlak stává subatmosférickým, proudí do plic atmosférický vzduch, což způsobuje zvýšení tlaku v plicích; čímž se jeho tlak vyrovná atmosférickému tlaku a uzavře se inspirační fáze.
Následně se inspirační svaly uvolní a výdechové svaly se smršťují. Kromě toho dochází k elastické retrakci plic, což je jev, který vede ke snížení objemu plic s následným zvýšením intrapulmonálního tlaku, vysvětleno zákonem Boyle-Mariotte..
Jak se zvyšuje intrapulmonální tlak a je větší než atmosférický tlak, proudí vzduch zevnitř plic do atmosféry. K tomu dochází, dokud se tlaky nevyrovnají, čímž se uzavře fáze expirace..
Umístí se malý hermeticky uzavřený balónek, který vytvoří uzel v jeho ústech, uvnitř injekční stříkačky, ze které byl vytažen píst, přibližně 20 ml. Píst injekční stříkačky je umístěn směrem ke středu injekční stříkačky, jehla je vytažena a je zablokován přívod vzduchu..
Pomalým tahem za píst injektoru se zjistí, že se balónek nafoukne.
Na stěnu balónku jsou vyvíjeny dva tlaky: tlak na jeho vnitřní stranu, produkt vzduchu obsažený uvnitř balónu a další tlak na vnější stranu balónu, vyvíjený vzduchem obsaženým ve stříkačce..
Zatažením za píst injektoru vytvoříte uvnitř poloviční vakuum. Proto tlak vzduchu na vnější straně stěny čerpadla klesá, čímž je tlak vyvíjený uvnitř čerpadla relativně vyšší..
Tento čistý tlak, podle zákona Boyle-Mariote, způsobí roztažení stěny balónu a zvýšení jeho objemu..
Plastová láhev se rozřízne přibližně na polovinu, čímž se zajistí, aby byl řez co nejvíce vodorovný. Do ústí láhve se vloží těsně přiléhající balón, zároveň se do hluboké desky vloží určité množství vody.
Umístěním dna láhve s balónkem nad vodu v misce se balónek mírně nafoukne.
Voda vytlačuje určité množství vzduchu, čímž zvyšuje tlak vzduchu na stěně lahve a na vnitřní straně balónku. To podle zákona Boyle-Mariotte způsobuje zvýšení objemu balónu, což je vizualizováno nafouknutím balónu..
Zatím žádné komentáře