Định luật lịch sử Boyle-Mariotte, biểu thức toán học, ví dụ



Luật của Boyle-Mariotte là biểu thị mối quan hệ giữa áp suất tác động bởi hoặc lên khí và thể tích chiếm chỗ của nó; giữ nhiệt độ không đổi của khí, cũng như số lượng của nó (số mol).

Luật này, cùng với luật của Charles, Gay-Lussac, Charles và Avogadro, mô tả hành vi của một loại khí lý tưởng; cụ thể, trong một thùng chứa kín chịu sự thay đổi âm lượng của một lực cơ học.

Hình ảnh trên tóm tắt ngắn gọn luật Boyle-Mariotte.

Các chấm màu tím đại diện cho các phân tử hoặc nguyên tử khí, va chạm với các bức tường bên trong của thùng chứa (bên trái). Bằng cách giảm không gian hoặc thể tích có sẵn của bình chứa khí này, sự va chạm tăng lên, điều này dẫn đến sự gia tăng áp lực (phải).

Điều này cho thấy áp suất P và thể tích V của khí tỷ lệ nghịch nếu bình chứa bịt kín; nếu không, áp suất cao hơn sẽ bằng với sự giãn nở lớn hơn của container.

Nếu một âm mưu V được tạo ra so với P, với dữ liệu của V và P trên trục Y và X, tương ứng, một đường cong tiệm cận sẽ được quan sát. C càng nhỏ, P càng tăng; nghĩa là, đường cong sẽ mở rộng đến các giá trị cao của P trên trục X.

Tất nhiên, nhiệt độ không đổi; nhưng, nếu cùng một thí nghiệm được thực hiện ở các nhiệt độ khác nhau, vị trí tương đối của các đường cong V vs P này sẽ thay đổi theo trục Cartesian. Sự thay đổi sẽ còn rõ ràng hơn nữa nếu nó được vẽ trên trục ba chiều, với T không đổi trên trục Z.

Chỉ số

  • 1 Lịch sử của luật Boyle
    • 1.1 Bối cảnh
    • 1.2 Thí nghiệm với thủy ngân
    • 1.3 Edme Mariotte
    • 1.4 Tăng cường luật pháp
  • 2 Luật này bao gồm những gì??
  • 3 biểu thức toán học
  • 4 Nó dùng để làm gì? Luật Boyle giải quyết những vấn đề gì??
    • 4.1 Máy hơi nước
    • 4.2 ngụm đồ uống
    • 4.3 Hệ hô hấp
  • 5 ví dụ (thí nghiệm)
    • 5.1 Thí nghiệm 1
    • 5.2 Thí nghiệm 2
  • 6 tài liệu tham khảo

Lịch sử của luật Boyle

Bối cảnh

Kể từ khi nhà khoa học Galileo Galilei bày tỏ niềm tin vào sự tồn tại của sự trống rỗng (1638), các nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu các tính chất của không khí và các khoảng trống một phần.

Nhà hóa học người Anh gốc Ireland, Robert Boyle, bắt đầu nghiên cứu về tính chất không khí vào năm 1638 khi biết rằng Otto von Guericke, một kỹ sư và nhà vật lý người Đức, đã chế tạo một máy bơm không khí.

Thí nghiệm với thủy ngân

Để thực hiện các nghiên cứu về áp suất không khí, Boyle đã sử dụng một ống thủy tinh có hình chữ "J", công trình được cho là của Robert Hooke, một trợ lý của Boyle. Phần cuối của cánh tay ngắn đã được niêm phong, trong khi phần cuối của cánh tay dài của ống được mở để đặt thủy ngân.

Ngay từ đầu, Boyle muốn nghiên cứu tính đàn hồi của không khí, định tính và định lượng. Bằng cách đổ thủy ngân qua đầu mở của ống hình chữ "J", Boyle đã suy luận rằng không khí trong nhánh ngắn của ống bị co lại dưới áp suất thủy ngân.

Kết quả

Lượng thủy ngân thêm vào ống càng lớn, áp suất tác động lên không khí càng lớn và thể tích của nó càng thấp. Boyle thu được một đồ thị loại âm theo hàm mũ âm lượng như là một hàm của áp suất.

Trong khi, nếu bạn vẽ thể tích của không khí theo nghịch đảo của áp suất, bạn có một đường thẳng có độ dốc dương.

Năm 1662, Boyle đã công bố định luật vật lý đầu tiên được đưa ra dưới dạng phương trình, trong đó chỉ ra sự phụ thuộc chức năng của hai biến. Trong trường hợp này, áp suất và âm lượng.

Boyle chỉ ra rằng có một mối quan hệ nghịch đảo giữa áp suất tác động lên một chất khí và thể tích chiếm bởi khí đó, tỷ lệ này tương đối đúng với các loại khí thực. Hầu hết các loại khí hoạt động giống như các loại khí lý tưởng ở áp suất và nhiệt độ vừa phải.

Với áp suất cao hơn và nhiệt độ thấp hơn, sự sai lệch so với hành vi của khí thực của các lý tưởng trở nên đáng chú ý hơn.

Edme Mariotte

Nhà vật lý người Pháp Edme Mariotte (1620-1684) đã độc lập phát hiện ra định luật tương tự vào năm 1679. Nhưng nó có giá trị cho thấy âm lượng thay đổi theo nhiệt độ. Đó là lý do tại sao nó được gọi là Luật của Mariotte hay Luật của Boyle và Mariotte.

Tăng cường pháp luật

Daniel Bernoulli (1737) đã củng cố Định luật Boyle bằng cách chỉ ra rằng áp lực của khí được tạo ra do tác động của các hạt khí trên thành bình chứa nó..

Năm 1845, John Waterston xuất bản một bài báo khoa học, trong đó ông tập trung vào các nguyên tắc chính của lý thuyết động học của chất khí.

Sau đó, Rudolf Clausius, James Maxwell và Ludqwig Boltzmann đã củng cố lý thuyết động học của chất khí, liên quan đến áp suất của một chất khí với vận tốc của các hạt khí chuyển động.

Thể tích của vật chứa chứa khí càng nhỏ thì tần suất tác động của các hạt tạo thành nó càng lớn đối với thành bình chứa; và do đó, áp suất của khí càng lớn.

Luật này bao gồm những gì??

Các thí nghiệm được thực hiện bởi Boyle chỉ ra rằng có một mối quan hệ nghịch đảo giữa thể tích chiếm bởi một chất khí và áp lực tác động lên nó. Tuy nhiên, mối quan hệ đã nói ở trên không hoàn toàn tuyến tính, được biểu thị bằng biểu đồ biến thiên âm lượng theo áp suất quy cho Boyle.

Trong định luật Boyle, người ta chỉ ra rằng thể tích chiếm dụng của khí tỷ lệ nghịch với áp suất. Nó cũng được chỉ ra rằng sản phẩm của áp suất của khí bằng thể tích của nó là không đổi.

Biểu thức toán học

Để đi đến biểu thức toán học của luật Boyle-Mariotte, chúng ta bắt đầu từ:

V 1 1 / P

Trong đó nó chỉ ra rằng thể tích chiếm dụng của khí tỷ lệ nghịch với áp suất của nó. Tuy nhiên, có một hằng số cho thấy mối quan hệ tỷ lệ nghịch như thế nào.

V = k / P

Trong đó k là hằng số tỉ lệ. Xóa k bạn có:

VP = k

Tích của áp suất của khí bằng thể tích của nó là không đổi. Sau đó:

V1P1 = k và V2P2 = k

Và từ đó có thể suy ra rằng:

V1P1 = V2P2

Cái sau là biểu thức hoặc phương trình cuối cùng cho định luật Boyle.

Nó dùng để làm gì? Luật Boyle giải quyết những vấn đề gì??

Máy hơi nước

Luật Boyle-Mariotte áp dụng cho hoạt động của động cơ hơi nước. Nó là một động cơ đốt ngoài sử dụng sự biến đổi năng lượng nhiệt từ một lượng nước thành năng lượng cơ học.

Nước được đun nóng trong nồi hơi kín, và hơi nước tạo ra áp lực theo định luật Boyle-Mariote tạo ra sự giãn nở thể tích của xi lanh bằng cách đẩy pít-tông.

Chuyển động tuyến tính của pít-tông được chuyển thành chuyển động quay, thông qua việc sử dụng hệ thống trục và trục, có thể điều khiển các bánh xe của đầu máy hoặc rôto của máy phát điện.

Hiện nay, động cơ hơi nước thay thế là một động cơ ít được sử dụng, vì nó đã được thay thế bởi động cơ điện và động cơ đốt trong trong các phương tiện vận tải.

Nhấm nháp đồ uống

Hành động hút nước ngọt hoặc nước trái cây từ chai qua ống nhựa có liên quan đến luật Boyle-Mariotte. Khi không khí được hút từ ống bằng miệng, có sự giảm áp suất bên trong ống.

Sự giảm áp suất này tạo điều kiện cho sự di chuyển lên của chất lỏng trong ống, cho phép nó ăn vào. Nguyên tắc tương tự này hoạt động trong việc trích máu bằng cách sử dụng ống tiêm.

Hệ hô hấp

Định luật Boyle-Mariotte liên quan mật thiết đến hoạt động của hệ hô hấp. Trong giai đoạn truyền cảm hứng, sự co thắt của cơ hoành và các cơ khác xảy ra; ví dụ, các liên sườn bên ngoài tạo ra sự mở rộng của lồng xương sườn.

Điều này gây ra giảm áp lực nội nhãn, gây ra sự giãn nở phổi làm tăng thể tích phổi. Do đó, áp lực trong phổi giảm theo những gì được nêu trong luật Boyle-Mariotte.

Khi áp suất trong phổi là khí quyển, không khí trong khí quyển chảy vào phổi, dẫn đến tăng áp lực trong phổi; bằng, áp suất của nó với áp suất khí quyển và kết thúc giai đoạn của cảm hứng.

Sau đó, các cơ hô hấp thư giãn và các cơ hô hấp co lại. Ngoài ra, co rút đàn hồi phổi xảy ra, một hiện tượng làm giảm thể tích phổi, do đó tăng áp lực trong phổi, có thể được giải thích bằng luật Boyle-Mariotte..

Bằng cách tăng áp lực trong phổi, và trở nên lớn hơn áp suất khí quyển, không khí chảy từ bên trong phổi vào khí quyển. Điều này xảy ra cho đến khi áp lực được cân bằng, kết thúc giai đoạn hết hạn.

Ví dụ (thí nghiệm)

Thí nghiệm 1

Một quả bóng nhỏ được đặt kín, tạo một nút thắt trong miệng của nó, bên trong một ống tiêm, mà pít tông đã được tháo ra, khoảng 20 ml. Pít tông của ống tiêm được đặt về phía giữa của ống tiêm, kim được tháo ra và ống dẫn khí bị tắc nghẽn.

Quan sát

Bằng cách từ từ kéo pít tông của kim phun, người ta quan sát thấy quả bóng bị phồng lên.

Giải thích

Hai áp lực tác động lên thành của khinh khí cầu: một áp lực lên mặt trong của nó, sản phẩm của không khí chứa bên trong khinh khí cầu và một áp lực khác ở mặt ngoài của khinh khí cầu, tác động bởi không khí chứa trong ống tiêm.

Khi kéo pít tông của kim phun, một nửa chân không được tạo ra bên trong nó. Do đó, áp suất không khí ở mặt ngoài của thành bơm giảm, làm cho áp suất tác động bên trong bơm tương đối lớn hơn..

Áp lực ròng này, theo luật Boyle-Mariote, sẽ tạo ra sự biến dạng của tường bong bóng và tăng thể tích của khinh khí cầu.

Thí nghiệm 2

Cắt một chai nhựa, khoảng một nửa, đảm bảo rằng vết cắt càng ngang càng tốt. Trong miệng chai, một quả bóng được điều chỉnh tốt được đặt, đồng thời một lượng nước nhất định được đặt trong một cái đĩa sâu.

Quan sát

Bằng cách đặt đáy chai với quả bóng trên mặt nước của món ăn, quả bóng được bơm hơi vừa phải.

Giải thích

Nước thay thế một lượng không khí nhất định, làm tăng áp lực của không khí lên thành chai và bên trong quả bóng bay. Điều này gây ra, theo luật của Boyle-Mariotte, sự gia tăng khối lượng của quả địa cầu, được hình dung bởi sự lạm phát của toàn cầu.

Tài liệu tham khảo

  1. Wikipedia. (2019). Luật của Boyle. Lấy từ: en.wikipedia.org
  2. Các biên tập viên của bách khoa toàn thư Britannica. (Ngày 27 tháng 7 năm 2018). Luật của Boyle. Bách khoa toàn thư Britannica. Lấy từ: britannica.com
  3. Helmenstine, Todd. (Ngày 5 tháng 12 năm 2018). Công thức cho định luật Boyle. Lấy từ: thinkco.com
  4. Phim Ấn Độ trẻ. (Ngày 15 tháng 5 năm 2018). Luật Boyle: Thí nghiệm khoa học cho trẻ em. Lấy từ: yifindia.com
  5. Trương Bá Chi (Ngày 22 tháng 5 năm 2011). Khinh khí cầu Định nghĩa ABC. Lấy từ: definicionabc.com
  6. Ganong, W, F. (2003). Sinh lý y tế (Phiên bản thứ 19). Biên tập sách hướng dẫn hiện đại.