توضیح قانون بویل

علم یک حوزه گسترده است که امکان کاوشی نامحدود را فراهم می‌آورد حتی اگر کسی خود را تنها به یک حوزه خاص محدود کند. بسیاری از دانشمندان تمام زندگی خود را به چنین کاوش‌هایی اختصاص دادند و به تکامل بشر کمک کردند. رابرت بویل یکی از این دانشمندان بود. یکی از مشهورترین آثار وی (قانون بویل) رابطه بین حجم یک گاز و فشار وارد شده به آن را بیان کرد. این نتیجه، حاصلِ کار اختصاصی این فیزیکدان برای تعیین تغییر در حجم گاز بر حسب تغییر در فشار آن بود. این قانون تا زمانی که مقدار گاز و دمای آن ثابت باشد، صادق است. رابرت بویل این قانون را بیان کرد و معادله ریاضی خود را با کمک مشاهدات متعدد در خصوص خواص گازها و رفتار ایده آل آنها تنظیم کرد.
 

درباره رابرت بویل

رابرت بویل در 25 ژانویه 1627 به دنیا آمد و به عنوان یکی از بنیانگذاران شیمی مدرن به حساب می‌آید. بیشتر تحقیقات او در زمان اقامت او در آکسفورد انجام شد و بیشتر به رفتار گازها می‌پرداخت. علاوه بر علم، بویل به الهیات نیز علاقه‌مند بود و زبان‌های مختلفی مانند یونانی، عبری و سریانی را آموخته بود تا درک خود را از کتاب مقدس تقویت کند. او همچنین برای دفاع از مسیحیت در برابر سایر مذاهب، «خطابه‌های بویل» را بنیان گذاری کرد.
 

قانون بویل و تفسیر ریاضی آن

قانون بویل با تغییر فشار وارد شده بر روی گاز، به تعیین تأثیر آن بر حجم گاز کمک می‌کند. برای ترسیم رابطه صحیح بین فشار و حجم، مقدار گاز و دما باید در هنگام انجام آزمایش ثابت نگه داشته شود. در این قانون آمده است که اگر درجه حرارت ثابت بماند، حجم یک گاز به صورت معکوس با فشار اعمال شده بر آن متناسب است. از نظر ریاضی، این قانون می‌تواند به شرح زیر باشد:
 
PV = k
 
که در آن،
P = فشار سیستم
V = حجم گاز
k = یک مقدار ثابت
 
مطابق تفسیر ریاضی، تا زمانی که دمای سیستم تغییر نکند، مقدار "k" ثابت است. از این رو، بویل توانست یک معادله عمومی‌تر را تدوین کند، که می‌تواند به صورت زیر باشد:
 
P1V1 = P2V2
 
که در آن P1 و V1 به فشار و حجم اولیه گاز اشاره می‌کنند و P2 و V2 فشار و حجم نهایی گاز را نشان می‌دهند. با توجه به این معادله، به راحتی می‌توان نتیجه گرفت که اگر فشار وارد شده به یک گاز افزایش یابد، حجم آن کاهش می‌یابد و به همین ترتیب، اگر فشار کاهش یابد، حجم آن افزایش می‌یابد تا مقدار "k" ثابت بماند. قانون بویل از نظریه جنبشی گازها مشتق شده است و فرض بر این است که گاز ایده آل باشد. همچنین کشف شد که گازهای واقعی فقط در فشارهای به اندازه کافی کم از قانون بویل پیروی می‌کنند، زیرا در فشارهای بالاتر، گازها به طور کلی از رفتار ایده آل خود انحراف نشان می‌دهند.
 
مثال: فرض کنید حجم و فشار اولیه گاز به ترتیب 3 لیتر و 4 اتمسفر باشد. با استفاده از قانون بویل، فشار نهایی گاز در صورت کاهش حجم به 5ر2 لیتر قابل محاسبه است.
 
راه حل:
طبق قانون بویل،
P1V1 = P2V2
 
از این رو،
P2 = (P1V1) ÷ V2
 
P2 = (3×4) / 2.5 = 4.8  اتمسفر.
 
از این رو فشار نهایی گاز 8ر4 اتمسفر است.
 
قانون بویل، قانون چارلز، و قانون  گیلوساک، به طور مشترک قانون ترکیب شده گاز را تشکیل می‌دهند و هنگام انجام آزمایشات در آزمایشگاه‌ها برای محاسبات ریاضی مورد استفاده قرار می‌گیرند. رابرت بویل علاوه بر مطالعه رفتار گازهای ایده آل و واقعی، آزمایشاتی را نیز انجام داد تا نقش هوا در اجازه به صوت برای انتشار، توانایی کریستال‌ها برای خم کردن نور، و رفتار مایعات در حالت سکون را تعیین کند. قانون بویل هنوز هم یکی از قوانین اساسی شیمی است و دانشمندان را در درک بهتر خواص گازها به روشی بهتر کمک کرده است.
 
در واقع، قانون بویل، که اغلب به عنوان قانون بویل - ماریوت یا قانون ماریوت (به خصوص در فرانسه) خوانده می‌شود، یک قانون آزمایشی مربوط به حالت گازی است که شرح می‌دهد با کاهش حجم ظرف، فشار گاز چگونه افزایش می‌یابد. گازهای واقعی فقط در فشارهای به اندازه کافی کم از قانون بویل پیروی می‌کنند یک بیانیه جدید از قانون بویل این است:
 
مقدار فشار مطلق که توسط یک توده معلق از گاز ایده آل اعمال می‌شود، به طور معکوس متناسب است با حجم اشغال شده توسط گاز، البته اگر دما و میزان گاز در یک سیستم بسته بدون تغییر باقی بماند.
 
این رابطه بین فشار و حجم نخستین بار توسط ریچارد تاونلی و هنری پاور در قرن هفدهم مشاهده شد. رابرت بویل کشف آنها را از طریق آزمایشات تأیید کرد و نتایج را منتشر نمود. به گفته رابرت گونتر و سایر مقامات، این دستیار بویل، رابرت هوک بود که دستگاه آزمایشگاهی را ساخت. قانون بویل مبتنی بر آزمایش‌هایی است که با هوا انجام می‌شود.
 
بویل از یک لوله  - J شکل بسته استفاده کرد و پس از ریختن جیوه از یک طرف، او هوا را از طرف دیگر تحت فشار وزن جیوه قرار داد. پس از چندین بار تکرار آزمایش و استفاده از مقادیر مختلفی از جیوه، وی دریافت که در شرایط کنترل شده، فشار یک گاز به طور معکوس متناسب با حجم اشغال شده توسط آن است. فیزیکدان فرانسوی Edme Mariotte (1620-1620)  همان قانون را به طور مستقل از بویل در سال 1679 کشف کرد، اما  بویل قبلاً آن را در سال 1662 منتشر کرده بود. با این وجود ماریوت کشف کرد که حجم هوا با دما تغییر می‌کند.
 
این قانون اولین قانون فیزیکی بود که در قالب یک معادله بیان شد که وابستگی دو مقدار متغیر را توصیف می‌کند.
 
اکثر گازها در فشارهای متوسط ​​و دمای متوسط ​​مانند گازهای ایده آل رفتار می‌کنند. فناوری قرن هفدهم نتوانسته بود فشارهای بسیار زیاد یا درجه حرارت بسیار کم تولید کند. از این رو، احتمالاً این قانون در زمان انتشار انحرافاتی نداشته است. از آن جا که پیشرفت در فناوری باعث توانایی ایجاد افزایش فشار و درجه حرارت پایین‌تر می‌شود، انحراف از رفتار گاز ایده آل مورد توجه قرار گرفت و رابطه بین فشار و حجم را می‌توان با استفاده از تئوری گاز واقعی به طور دقیق توصیف کرد.
 
منبع: Swapnil Srivastava – ساینس استراک