Právo Boyle-Mariotte historie, matematický výraz, příklady



Zákon Boyle-Mariotte je to, které vyjadřuje vztah mezi tlakem vyvíjeným na plyn nebo na něj a objemem, který zabírá; udržování konstantní teploty plynu, stejně jako jeho množství (počet molů).

Tento zákon, spolu s právem Charlese, Gay-Lussaca, Charlese a Avogadra, popisuje chování ideálního plynu; konkrétně v uzavřené nádobě, která podléhá objemovým změnám vyvolaným mechanickou silou.

Obrázek nahoře stručně shrnuje zákon Boyle-Mariotteho.

Fialové tečky představují molekuly nebo atomy plynu, které kolidují s vnitřními stěnami kontejneru (vlevo). Snížením dostupného prostoru nebo objemu nádoby obsažené tímto plynem dochází ke zvýšení kolizí, což se projevuje zvýšením tlaku (vpravo).

To ukazuje, že tlak P a objem V plynu jsou nepřímo úměrné, pokud je nádoba hermeticky utěsněna; jinak by byl vyšší tlak roven větší expanzi nádoby.

Pokud byl proveden graf V proti P, s údaji V a P na osách Y a X, byla by pozorována asymptotická křivka. Čím menší je V, tím větší je zvýšení P; to znamená, že křivka se rozšíří na vysoké hodnoty P na ose X..

Teplota samozřejmě zůstává konstantní; Pokud by však stejný experiment byl prováděn při různých teplotách, relativní polohy těchto křivek V proti P by se změnily v karteziánské ose. Změna by byla ještě výraznější, kdyby byla vynesena na trojrozměrné ose s konstantou T na ose Z.

Index

  • 1 Historie Boyleova zákona
    • 1.1
    • 1.2 Experimentujte s rtutí
    • 1.3 Edme Mariotte
    • 1.4 Posílení práva
  • 2 Co se skládá z tohoto zákona??
  • 3 Matematické vyjádření
  • 4 Na co to je? Jaké problémy řeší Boyleův zákon??
    • 4.1 Parní stroje
    • 4.2 Sip nápoje
    • 4.3 Respirační systém
  • 5 Příklady (experimenty)
    • 5.1 Experiment 1
    • 5.2 Experiment 2
  • 6 Odkazy

Historie Boyleova zákona

Pozadí

Protože vědec Galileo Galilei vyjádřil svou víru v existenci prázdnoty (1638), vědci začali studovat vlastnosti vzduchu a částečných dutin.

Anglo-irský chemik Robert Boyle začal studovat letecké vlastnosti v roce 1638, když se naučil, že Otto von Guericke, německý inženýr a fyzik, postavil vzduchové čerpadlo.

Experimentujte s rtutí

Pro jeho studia tlaku vzduchu, Boyle používal skleněnou trubici ve tvaru “J”, jehož stavba byla přičítána Robert Hooke, asistent Boyle. Konec krátké paže byl zapečetěn, zatímco konec dlouhého ramene trubky byl otevřený umístit rtuť.

Boyle chtěl od počátku studovat pružnost vzduchu, kvalitativně i kvantitativně. Vyléváním rtuti otevřeným koncem trubice ve tvaru písmene "J", Boyle odvodil, že vzduch v krátkém rameni trubky se smrští pod tlakem rtuti..

Výsledky

Čím větší množství rtuti je přidáváno do trubky, tím větší je tlak vyvíjený na vzduch a tím nižší je její objem. Boyle získal negativní exponenciální graf objemu vzduchu jako funkci tlaku.

I když, pokud vykreslíte objem vzduchu proti inverznímu tlaku, máte přímou linii kladného svahu.

V 1662, Boyle publikoval první fyzikální zákon, který byl dán ve formě rovnice, který ukazoval funkční závislost dvou proměnných. V tomto případě tlak a objem.

Boyle poukázal na to, že tam byl inverzní vztah mezi tlakem vyvíjeným na plyn a objemem zabíraným tímto plynem, tento poměr je relativně pravdivý pro skutečné plyny. Většina plynů se chová jako ideální plyny při mírných tlacích a teplotách.

Při vyšších tlacích a nižších teplotách se projevily odchylky od chování reálných plynů ideálů.

Edme Mariotte

Francouzský fyzik Edme Mariotte (1620-1684) nezávisle objevil stejný zákon v roce 1679. Ale měl tu výhodu, že objem se mění s teplotou. Proto se nazývá Mariotův zákon nebo Boyleův a Mariotův zákon.

Posílení práva

Daniel Bernoulli (1737) posílil Boyleův zákon tím, že poukázal na to, že tlak plynu je produkován dopady částic plynu na stěny nádoby, která ho obsahuje..

V roce 1845 publikoval John Waterston vědecký článek, ve kterém se zaměřuje na hlavní principy kinetické teorie plynů.

Později, Rudolf Clausius, James Maxwell a Ludqwig Boltzmann konsolidovali kinetickou teorii plynů, která spojuje tlak vyvíjený plynem s rychlostí částic plynu v pohybu..

Čím menší je objem nádoby obsahující plyn, tím větší je frekvence nárazů částic, které ji tvoří proti stěnám nádoby; a tím větší je tlak vyvíjený plynem.

Z čeho se tento zákon skládá??

Experimenty, které provedl Boyle, poukazují na to, že existuje nepřímý vztah mezi objemem zabíraným plynem a tlakem na něj vyvíjeným. Výše uvedený vztah však není zcela lineární, jak ukazuje graf objemových variací podle tlaku přiřazeného Boyleovi.

V Boyleově zákoně je zdůrazněno, že objem zabíraný plynem je nepřímo úměrný tlaku. Je také uvedeno, že součin tlaku plynu plynoucího z jeho objemu je konstantní.

Matematický výraz

Abychom se dostali k matematickému vyjádření Boyle-Mariottova zákona, začneme:

V α 1 / P

Kde to ukazuje, že objem zabíraný plynem je nepřímo úměrný jeho tlaku. Nicméně, tam je konstanta, která diktuje jak nepřímo úměrný tento vztah je.

V = k / P

Kde k je konstanta proporcionality. Vymazání k:

VP = k

Produkt tlaku plynu jeho objemem je konstantní. Pak:

V1P1 = k a V2P2 = k

A z toho lze odvodit, že:

V1P1 = V2P2

Ten je posledním výrazem nebo rovnicí pro Boyleův zákon.

Na co to je? Jaké problémy řeší Boyleův zákon??

Parní stroje

Zákon Boyle-Mariotte platí pro provoz parních strojů. Jedná se o spalovací motor, který využívá transformaci tepelné energie z množství vody na mechanickou energii.

Voda se zahřívá v hermeticky uzavřeném kotli a vyráběná pára vytváří tlak podle zákona Boyle-Marioteho, který vytváří objemovou expanzi válce tlakem pístu..

Lineární pohyb pístu se transformuje na rotační pohyb, a to pomocí systému klik a klik, které mohou pohánět kola lokomotivy nebo rotoru elektrického generátoru..

V současné době je alternativní parní stroj málo používaným motorem, protože byl přemístěn elektromotorem a spalovacím motorem v dopravních prostředcích..

Popíjení nápojů

Činnost sání nealkoholického nápoje nebo šťávy z láhve plastovou trubičkou souvisí se zákonem Boyle-Mariotte. Když je vzduch nasáván z trubice ústy, dochází k poklesu tlaku uvnitř trubky.

Tato tlaková ztráta usnadňuje pohyb kapaliny v trubce směrem nahoru, což umožňuje její požití. Stejný princip funguje při extrakci krve pomocí injekční stříkačky.

Respirační systém

Zákon Boyle-Mariotte úzce souvisí s fungováním dýchacího systému. Během inspirační fáze dochází k kontrakci membrány a dalších svalů; například vnější interkonstály, které vytvářejí expanzi hrudního koše.

To způsobuje pokles intrapleurálního tlaku, který způsobuje expanzi plic, která způsobuje zvýšení objemu plic. Intrapulmonální tlak se tedy snižuje podle toho, co je uvedeno v Boyle-Mariottově zákoně.

Když je intrapulmonální tlak subatmosférický, proudí do plic atmosférický vzduch, což má za následek zvýšený tlak v plicích; vyrovnávání, jeho tlak na atmosférický tlak a uzavírání fáze inspirace.

Následně se inspirační svaly uvolní a dojde ke kontrakci výdechových svalů. Navíc dochází k pulmonální elastické retrakci, což je fenomén, který vyvolává pokles plicního objemu s následným zvýšením intrapulmonálního tlaku, což lze vysvětlit zákonem Boyle-Mariotte..

Zvýšením intrapulmonálního tlaku a zvýšením atmosférického tlaku proudí vzduch z vnitřku plic do atmosféry. K tomu dochází, dokud nejsou tlaky vyrovnány, což končí fázi expirace.

Příklady (experimenty)

Experiment 1

Malý balónek se umístí těsně uzavřený, takže v jeho ústech, v injekční stříkačce, na kterou byl píst odstraněn, se vytvoří uzel v přibližně 20 ml. Píst stříkačky je umístěn směrem ke střední části injekční stříkačky, jehla je vyjmuta a přívod vzduchu je zablokován.

Pozorování

Pomalým tažením pístu injektoru je pozorováno, že balónek je nafouknut.

Vysvětlení

Na stěnu balónu jsou vyvíjeny dva tlaky: tlak na jeho vnitřní stranu, produkt vzduchu uvnitř balónu a další tlak na vnější stranu balónu, vyvíjený vzduchem obsaženým v injekční stříkačce.

Při tažení pístu injektoru se uvnitř něj vytvoří poloviční vakuum. Tlak vzduchu na vnější ploše stěny čerpadla se tedy zmenšuje, takže tlak vyvíjený uvnitř čerpadla je relativně větší..

Tento čistý tlak, podle Boyle-Marioteho zákona, způsobí distenzi stěny balónu a zvýšení objemu balónu..

Experiment 2

Plastovou láhev vyřízněte přibližně na polovinu a ujistěte se, že řez je co nejvíc vodorovný. V ústí láhve se umístí dobře nastavený balónek a současně se do hluboké misky vloží určité množství vody..

Pozorování

Umístěním dna láhve s balónek na vodu misky je balónek mírně nafouknutý.

Vysvětlení

Voda vytlačuje určité množství vzduchu, což zvyšuje tlak vzduchu na stěně láhve a vnitřku balónu. To způsobuje, podle zákona Boyle-Mariotte, zvýšení objemu zeměkoule, která je vizualizována inflací zeměkoule..

Odkazy

  1. Wikipedia. (2019). Boyleův zákon. Zdroj: en.wikipedia.org
  2. Editoři Encyclopaedia Britannica. (27. července 2018). Boyleův zákon. Encyclopædia Britannica. Zdroj: britannica.com
  3. Helmenstine, Todd. (5. prosince 2018). Vzorec pro Boyleův zákon. Citováno z: thoughtco.com
  4. Mladé indické filmy. (15. května 2018). Boyleův zákon: Experiment vědy pro děti. Zdroj: yifindia.com
  5. Cecilia Bembibre (22. května 2011). Horkovzdušný balón Definice ABC. Zdroj: definiticionabc.com
  6. Ganong, W, F. (2003). Lékařská fyziologie (19. vydání). Redakce moderního manuálu.