مثال‌هایی از قانون بویل در زمینه‌های مختلف

قانون بویل قانون بسیار مهم گاز است که به ما کمک می‌کند تا رابطه‌ی متقابل بین نیروهای فیزیکی فشار، حجم و دما را به طور دقیق درک کنیم. در این مقاله، ما چند مثال می‌بینیم که در آن‌ها این قانون در زندگی روزانه‌ی ما دخیل است.

آیا می‌دانید؟

هنگامی که رابرت بویل پژوهش و مطالعات خود را آغاز کرد، او فهرست آرزوهایی از خلق 24 اختراع داشت که شامل موارد زیر بود:
طولانی کردن زندگی، احیای جوانی، هنر پرواز، توانایی زندگی و کار در زیر آب برای دوره‌های طولانی از زمان، درمان زخم‌ها از راه دور، پیوند اعضاء، دستیابی به تناسبات عظیم، تغییر شکل فلزات و... که امروزه اکثر این موارد انجام شده‌اند.
در سال 1662، فیزیکدان رابرت بویل قانون بویل را مطرح کرد. این قانون بیان می‌کرد که فشار و حجم گاز هنگامی که دمای آن ثابت است رابطه‌ی معکوس دارند. به عبارت دیگر، در دمای ثابت، وقتی که حجم گاز افزایش می‌یابد فشار آن کم می‌شود در حالی که حجم کاهش می‌یابد، زمانی که فشار زیاد می‌شود.
معادله‌ی این پدیده v1/v2=p2/p1 (در دمای ثابت) می‌باشد که در آن v1 حجم اولیه، v2 حجم ثانویه، p1 فشار آغازی و p2 فشار پایانی می‌باشد. این قانون امروزه به عنوان قانون بویل بیان می‌شود و بخش مهمی از قانون گاز ایده‌آل به شمار می‌آید که هرجایی در زندگی روزانه‌‌ی ما و در ساز و کار چند هدف روزمره قابل مشاهده است. با ما همراه شوید تا به خودی خود چند مثال از قانون بویل را در زندگی واقعی ببینیم.

کاربردهای قانون بویل

غواصی با دستگاه دمزنی: در میان غواصان با وسایل آن چیزی که همه می‌دانند این است که وقتی آن‌ها برای بالا آمدن به سطح آب‌های عمیق تلاش می‌کنند بسیار ضروری است که صعود به کندی انجام شود. زیرا همان‌طور که غواص به زیر آب‌های عمیق‌تر حرکت می‌کند فشار روی جسم شروع به افزایش می‌کند به همین دلیل حجم گاز نیتروژن کاهش می‌یابد و خونی که در دستگاه گردش خون جریان دارد غلیظ می‌شود. هنگامی که غواص شروع به برگشت به سطح آب می‌کند از فشار کاسته می‌شود و حباب‌های نیتروژن در بدن گسترش می‌یابند و به حجم عادی برمی‌گردند. اگر غواص نتواند به کندی صعود کند یا نتواند از اتاقک همسان ساز فشار استفاده کند، حباب‌های نیتروژن بسیار سریع به حجم نرمال خود برمی‌گردند و خون کف آلود می‌شود و سبب می‌شود رگ‌های خونی، مثانه‌ها، سلول‌ها و غشاها پاره شوند و سبب افزایش فواصل بین مفاصل غواصان می‌شود و نیز باعث می‌شود غواص بدن خود را خم کند و دردی جان فرسا را تحمل کند. به همین دلیل انواع ماهیانی که در آب‌های عمیق زندگی می‌کنند وقتی از آب بیرون آورده می‌شوند جان خود را از دست می‌دهند. تعدیل کردن حجم نیتروژن بر طبق قانون بویل توسط تنظیم فشار مهم است. اگر شما توجه کنید به حباب‌های هوایی که توسط غواص ترکانده می‌شود، شما نیز می‌توانید این قانون را در عمل ببینید. حباب‌ها همان‌طور که به سمت بالا صعود می‌کنند به دلیل کاهش فشار معمولا اندازه‌ی خود را افزایش می‌دهند.
لاستیک‌های وسیله ‌ی نقلیه: در حالی که شما لاستیک خودرو را از باد پر می‌کنید، توجه می‌کنید که فشار هوا حدود 30 الی 35 psi (نیروی پوند بر اینچ مربع) شود. همان طور که شما فشار را وارد لاستیک می‌کنید، فشار فزاینده از طریق چسباندن مولکول‌های هوا به یکدیگر حجم آن‌ها را کاهش می‌دهد. فشار درون تلمبه باید همیشه از فشار درون لاستیک بیشتر باشد تا بتواند هوای بیشتری درون لاستیک وارد کند. از آنجایی که در آن دوره از زمان دمای هوا کم و بیش ثابت است، شما قادر خواهید بود تا مثال زنده‌ی واقعی از قانون بویل را در مقابل خود ببینید.
بطری‌ها و قوطی‌های نوشابه: شما ممکن است توجه کرده باشید که هر وقت شخصی بطری یا قوطی نوشابه را باز می‌کند، در یا سر پوش آن به کندی باز می‌شود تا اجازه دهد گاز درون آن به میزان کنترل شده‌ای خارج شود. به این دلیل که باز کردن سریع بطری سبب می‌شود نوشابه به طور بیش از حد بجوشد، کف کند و به بیرون از آن پرتاب شود. فرایند گاز دار کردن نوشابه شامل فشردن دی اکسید کربن (co2) از طریق فشار زیاد درون آب است که حجم آن را کم و تبدیل به فضای محدود کوچکی می‌کند. بنابراین هنگامی که سر پوش به کندی باز می‌شود، فشار روی گاز درون نوشابه کاهش می‌یابد و اجازه می‌دهد تا به تدریج پخش شود و در حالی که با تولید کف و صدای فش فش همراه است از آن خارج شود. به همین دلیل زمانی که بطری یا قوطی نوشابه تکان داده می‌شود گاز اضافی در بالای بطری با مایع مخلوط می‌شود و وقتی در پوش آن را برمی‌دارید، حباب‌های گاز همگی به سرعت پخش می‌شوند در حالی که آن‌ها هنوز در مایع هستند و همان‌ طور که گاز تلاش می‌کند تا از بطری خارج شود مایع را همراه با خود به جلو می‌راند که سبب ریزش به هم ریخته و کثیفی می‌شود.
اگر شخصی بسته‌ی کاملا پر باد چیپس را از مغازه‌ای در بالای کوه بخرد، آن بسته می‌ترکد یا سوراخ می‌شود به محض اینکه شخص به پایین کوه می‌رسد. دلیل این اتفاق این است که فشار هوا در بالای کوه نسبت به پایین کوه کمتر است که باعث می‌شود گاز درون حجم گسترش یابد و بسته‌ی چیپس بترکد.
اسپری‌ها (افشانه‌ها): در اسپری‌ها مانند ضد بو‌ها و رنگ‌های افشاندنی، معمولا درون قوطی دو بخش وجود دارد به عبارت دیگر بخش مایع اولیه مثل رنگ یا عطر و گازی که غیر قابل نفوذ می‌شود و این گاز در وضعیت بسیار فشرده تنظیم می‌شود به طوری که حتی در نقطه‌ی جوشش که معمولا زیر دمای اتاق است در حالت مایع نگهداری می‌شود. هنگامی که شما افشانک یا دهانه‌ی قوطی افشانه را به سمت پایین فشار می‌دهید، پلمپ روی گاز مایع باز می‌شود و این امر سبب می‌شود فشار کاهش یابد و گاز راه خروج پیدا کند و بی درنگ شروع به جوشیدن کند در حالی که آن تغییر می‌کند و به گازی با حجم فزاینده تبدیل می‌شود که در تلاش‌هایش برای حرکت به ناحیه ای با فشار کمتر عطر یا رنگ را به خارج از قوطی می‌راند. همین اصل نیز در کپسول‌های آتش نشانی قابل مشاهده است.
سرنگ‌ها: هنگامی که پیستون سرنگ به عقب کشیده می‌شود، حجم گاز درون آن به دلیل کاهش فشار افزایش می‌یابد. بنابراین درون سرنگ خلأ ایجاد می‌شود که همواره تلاش می‌کند تا فشار را به حالت نرمال برگرداند. اما، از آنجایی که تنها ماده‌ی در دسترس (مانند خون یا دارو) روی بخش دیگر سوزن قرار دارد، این مایع خلأ را جذب می‌کند در حالی که آن فشار را زیاد و حجم گاز را کم می‌کند. زمانی که ما پیستون را به سمت داخل فشار می‌دهیم، فشار دوباره افزایش می‌یابد این در حالی است که حجم درون سرنگ کم می‌شود و باعث خروج مایع از سرنگ می‌گردد.
تنفس: قانون بویل برای فرایند تنفسی بشر ضروری است. زمانی که شما دم را فرو می‌برید از آنجایی که ماهیچه‌های دیافراگم منقبض می‌شوند فشار کاهش یافته باعث افزایش حجم حفره‌ی سینه می‌شود. هنگامی که دم را خارج می‌کنید حجم حفره‌ی سینه کم می‌شود و این امر فشار روی شش‌ها را افزایش می‌دهد و هوا را خارج می‌کند. به همین جهت، زندگی‌های مشابه ما به قانون بویل وابسته است.

کاربرد قانون بویل در صنایع:

ذخیره‌ی گازها: بسیاری از صنایع گازها را تحت فشار بالا ذخیره می‌کنند. این امر به گاز اجازه می‌دهد که در حجم کمی ذخیره شود در حالی که محل ذخیره‌ی بسیار زیادی را محفوظ نگه می‌دارد. این موضوع اصولا در کارخانه‌های گاز طبیعی و متراکم مشاهده می‌شود.
استفاده از موتور‌های درون سوز: صنایع بسیاری چنین موتور‌هایی را برای اهداف تولید در کارخانه‌های خود به کار می‌برند. وقتی قدرت چنین موتور‌هایی افزایش می‌یابد، سوخت توسط پیستون‌های موتور با هوا مخلوط و فشرده می‌شود. هنگامی که مخلوط سوخت و هوا تحت فشار بالا قرار می‌گیرد مشتعل شده و کاهش ناگهانی در فشار افزایش حجم هوا را به دنبال دارد در حالی که این امر پیستون را به درون سیلندر می‌راند. فرایند مذکور پیوسته تکرار می‌شود و سبب ایجاد انرژی برای عملکرد دستگاه می‌گردد.
همان طور که مشاهده می‌کنید قانون بویل کاربرد‌های عظیمی در دنیای حقیقی دارد (به جز مطالعات نظری گاز‌های ایده‌آل و واقعی) و هنوز بخش حیاتی پژوهشی را تشکیل می‌دهد که در ارتباط با گاز‌ها به شمار می‌رود.