Právo Boyle-Mariotteho histórie, matematický výraz, príklady



Zákon Boyle je to, ktoré vyjadruje vzťah medzi tlakom vyvíjaným plynom alebo na plyn a objemom, ktorý zaberá; udržanie konštantnej teploty plynu, ako aj jeho množstvo (počet mólov).

Tento zákon spolu s právom Charlesa, Gay-Lussaca, Charlesa a Avogadra opisuje správanie ideálneho plynu; konkrétne v uzavretej nádobe, ktorá podlieha zmenám objemu, vyvolaným mechanickou silou.

Vyššie uvedený obrázok stručne sumarizuje Boyle-Mariottov zákon.

Fialové bodky predstavujú molekuly alebo atómy plynu, ktoré kolidujú s vnútornými stenami nádoby (vľavo). Znížením dostupného priestoru alebo objemu kontajnera obsadeného týmto plynom sa zvýšia kolízie, čo sa prejaví zvýšením tlaku (vpravo)..

To ukazuje, že tlak P a objem V plynu sú nepriamo úmerné, ak je nádoba hermeticky utesnená; inak by bol vyšší tlak rovný väčšej expanzii nádoby.

Ak sa urobil graf V proti P, s údajmi V a P na osi Y a X, pozorovala sa asymptotická krivka. Čím menšie je V, tým väčšie je zvýšenie P; to znamená, že krivka sa rozšíri na vysoké hodnoty P na osi X..

Teplota samozrejme zostáva konštantná; ak by sa však rovnaký experiment uskutočňoval pri rôznych teplotách, relatívna poloha týchto kriviek V vs P by sa zmenila v karteziánskej osi. Zmena by bola ešte zreteľnejšia, ak by bola vynesená na trojrozmernej osi s konštantou T na osi Z.

index

  • 1 História Boyleovho zákona
    • 1.1 Pozadie
    • 1.2 Experimentujte s ortuťou
    • 1.3 Edme Mariotte
    • 1.4 Posilnenie práva
  • 2 Z čoho sa tento zákon skladá??
  • 3 Matematické vyjadrenie
  • 4 Na čo slúži? Aké problémy rieši Boyleov zákon??
    • 4.1 Parné stroje
    • 4.2 Sip nápoje
    • 4.3 Respiračná sústava
  • 5 Príklady (experimenty)
    • 5.1 Experiment 1
    • 5.2 Experiment 2
  • 6 Referencie

História Boyleovho zákona

pozadia

Keďže vedec Galileo Galilei vyjadril svoju vieru v existenciu prázdnoty (1638), vedci začali študovať vlastnosti vzduchu a čiastočných dutín..

Anglo-írsky chemik Robert Boyle začal v roku 1638 študovať letecké vlastnosti, keď sa dozvedel, že Otto von Guericke, nemecký inžinier a fyzik, vybudoval vzduchové čerpadlo.

Experimentujte s ortuťou

Na vykonanie svojich štúdií o tlaku vzduchu, Boyle použil sklenenú trubicu v tvare "J", ktorého konštrukcia bola pripísaná Robert Hooke, asistent Boyle. Koniec krátkeho ramena bol utesnený, zatiaľ čo koniec dlhého ramena trubice bol otvorený na umiestnenie ortuti.

Boyle chcel od začiatku študovať pružnosť vzduchu, kvalitatívne a kvantitatívne. Vyliatím ortuti otvoreným koncom trubice tvaru "J", Boyle vyvodil, že vzduch v krátkom ramene trubice sa stiahol pod tlakom ortuti..

výsledok

Čím väčšie množstvo ortuti sa pridáva do trubice, tým väčší je tlak vyvíjaný na vzduch a tým nižší je jeho objem. Boyle získal negatívny exponenciálny graf objemu vzduchu ako funkciu tlaku.

Kým, ak vykreslíte objem vzduchu proti opačnému tlaku, máte priamku kladného sklonu.

V roku 1662 Boyle publikoval prvý fyzikálny zákon, ktorý bol daný vo forme rovnice, ktorá indikovala funkčnú závislosť dvoch premenných. V tomto prípade tlak a objem.

Boyle poukázal na to, že existuje inverzný vzťah medzi tlakom vyvíjaným na plyn a objemom tohto plynu, pričom tento pomer je relatívne skutočný pre reálne plyny. Väčšina plynov sa správa ako ideálne plyny pri miernych tlakoch a teplotách.

Pri vyšších tlakoch a nižších teplotách sa zreteľnejšie prejavili odchýlky od správania reálnych plynov ideálov.

Edme Mariotte

Francúzsky fyzik Edme Mariotte (1620-1684) nezávisle objavil rovnaký zákon v roku 1679. Ale to malo tú výhodu, že sa ukázalo, že objem sa mení s teplotou. Preto sa nazýva Mariottov zákon alebo Boyleov zákon a Mariottov zákon.

Posilnenie práva

Daniel Bernoulli (1737) posilnil Boyleov zákon tým, že poukázal na to, že tlak plynu vzniká vplyvom nárazov častíc plynu na steny nádoby, ktorá ho obsahuje..

V roku 1845 publikoval John Waterston vedecký článok, v ktorom sa zameriava na hlavné princípy kinetickej teórie plynov.

Neskôr Rudolf Clausius, James Maxwell a Ludqwig Boltzmann konsolidovali kinetickú teóriu plynov, ktorá súvisí s tlakom vyvíjaným plynom s rýchlosťou častíc plynu v pohybe..

Čím menší je objem nádoby obsahujúcej plyn, tým väčšia je frekvencia nárazov častíc, ktoré ju tvoria proti stenám nádoby; a tým väčší je tlak vyvíjaný plynom.

Z čoho sa tento zákon skladá??

Experimenty, ktoré uskutočnil Boyle, poukazujú na to, že existuje inverzný vzťah medzi objemom, ktorý zaberá plyn, a tlakom, ktorý naň pôsobí. Vyššie uvedený vzťah však nie je úplne lineárny, ako je naznačené grafom objemových variácií podľa tlaku priradeného Boyleovi.

V Boyleovom zákone sa poukazuje na to, že objem, ktorý zaberá plyn, je nepriamo úmerný tlaku. Je tiež uvedené, že produkt tlaku plynu jeho objemom je konštantný.

Matematický výraz

Aby sme sa dostali k matematickému vyjadreniu Boyle-Mariottovho zákona, začíname z:

V a 1 / P

Kde sa uvádza, že objem, ktorý zaberá plyn, je nepriamo úmerný jeho tlaku. Existuje však konštanta, ktorá určuje, ako je tento vzťah nepriamo úmerný.

V = k / P

Kde k je konštanta proporcionality. Vymazanie k:

VP = k

Produkt tlaku plynu jeho objemom je konštantný. potom:

V1P1 = k a V2P2 = k

A z toho možno vyvodiť, že:

V1P1 = V2P2

Posledný je konečný výraz alebo rovnica pre Boyleov zákon.

Na čo slúži? Aké problémy rieši Boyleov zákon??

Parné stroje

Zákon Boyle-Mariotte sa vzťahuje na prevádzku parných strojov. Je to spaľovací motor, ktorý využíva transformáciu tepelnej energie z množstva vody na mechanickú energiu.

Voda sa ohrieva v hermeticky uzavretom kotle a produkovaná para vyvíja tlak podľa zákona Boyle-Mariote, ktorý vytvára objemovú expanziu valca stlačením piestu..

Lineárny pohyb piestu sa premieňa na rotačný pohyb pomocou systému kľuky a kľuky, ktoré môžu poháňať kolesá lokomotívy alebo rotora elektrického generátora..

V súčasnosti je alternatívnym parným motorom málo využívaný motor, pretože bol premiestnený elektromotorom a spaľovacím motorom v dopravných prostriedkoch..

Popíjanie nápojov

Činnosť nasávania nealkoholického nápoja alebo šťavy z fľaše cez plastovú trubicu súvisí s Boyle-Mariottovým zákonom. Keď je vzduch nasávaný z trubice pomocou úst, dochádza k poklesu tlaku vo vnútri trubice.

Tento pokles tlaku uľahčuje pohyb kvapaliny v trubici smerom nahor, čo umožňuje jej požitie. Tento princíp funguje pri odbere krvi pomocou injekčnej striekačky.

Dýchací systém

Zákon Boyle-Mariotteho úzko súvisí s fungovaním dýchacieho systému. Počas fázy inšpirácie dochádza k kontrakcii bránice a iných svalov; napríklad vonkajšie interkonstály, ktoré vytvárajú expanziu hrudného koša.

To spôsobuje pokles intrapleurálneho tlaku, ktorý spôsobuje expanziu pľúc, ktorá spôsobuje zvýšenie objemu pľúc. Intrapulmonálny tlak sa teda znižuje podľa toho, čo je uvedené v Boyle-Mariottovom zákone.

Keď je intrapulmonálny tlak subatmosférický, prúdi atmosférický vzduch do pľúc, čo vedie k zvýšenému tlaku v pľúcach; tlak, tlak na atmosférický tlak a ukončenie fázy inšpirácie.

Následne sa vdychujú inšpiratívne svaly a kontrakcie výdychových svalov. Okrem toho dochádza k pulznej elastickej retrakcii, čo je jav, ktorý spôsobuje pokles objemu pľúc s následným zvýšením intrapulmonálneho tlaku, čo možno vysvetliť Boyle-Mariottovým zákonom..

Zvýšením intrapulmonálneho tlaku a zvýšením atmosférického tlaku prúdi vzduch z vnútra pľúc do atmosféry. To sa deje až do vyrovnania tlakov, čo končí fázu exspirácie.

Príklady (experimenty)

Experiment 1

Malý balónik sa umiestni tesne uzavretý, aby sa v jeho ústach vytvoril uzol vo vnútri injekčnej striekačky, do ktorej bol piest odstránený, približne 20 ml. Piest striekačky je umiestnený smerom k strednej časti striekačky, ihla je odstránená a prívod vzduchu je zablokovaný.

pozorovanie

Pomalým ťahaním piestu injektora sa pozoruje, že sa balónik nafúkne.

vysvetlenie

Na stenu balóna sa vyvíjajú dva tlaky: tlak na jeho vnútornú stranu, produkt vzduchu nachádzajúceho sa v balóne a ďalší tlak na vonkajšiu stranu balóna, vyvíjaný vzduchom v striekačke.

Keď ťaháte piest injektora, vytvára sa v ňom polovica vákua. Tlak vzduchu na vonkajšej strane steny čerpadla sa teda zmenšuje, čím sa tlak vyvíjaný vo vnútri čerpadla relatívne zvyšuje..

Tento čistý tlak, podľa zákona Boyle-Marioteho, spôsobí distenziu steny balóna a zvýšenie objemu balóna..

Experiment 2

Plastovú fľašu rozrežte približne na polovicu, pričom dbajte na to, aby rez bol čo naj horizontálnejší. V ústach fľaše sa umiestni dobre nastavený balónik a súčasne sa vloží určité množstvo vody do hlbokej misky..

pozorovanie

Umiestnením dna fľaše s balónikom na vodu misky sa balónik mierne nafúkne.

vysvetlenie

Voda vytláča určité množstvo vzduchu, čím sa zvyšuje tlak vzduchu na stene fľaše a vo vnútri balóna. To spôsobuje, podľa zákona Boyle-Mariotte, nárast objemu zemegule, ktorý je vizualizovaný infláciou zemegule..

referencie

  1. Wikipedia. (2019). Boyleov zákon. Zdroj: en.wikipedia.org
  2. Redakcia Encyclopaedia Britannica. (27. júla 2018). Boyleov zákon. Encyclopædia Britannica. Zdroj: britannica.com
  3. Helmenstine, Todd. (5. decembra 2018). Vzorec pre Boyleov zákon. Zdroj: thinkco.com
  4. Mladé indické filmy. (15. máj 2018). Boyleov zákon: vedecký experiment pre deti. Zdroj: yifindia.com
  5. Cecilia Bembibre (22. máj 2011). Teplovzdušný balón Definícia ABC. Zdroj: definiticionabc.com
  6. Ganong, W, F. (2003). Lekárska fyziológia (19. vydanie). Redakcia moderného manuálu.