قانون بویل: درک آسان با مثال‌های کاربردی (Boyle's Law)

قانون بویل، یکی از قوانین بنیادی گازها، بیان می‌دارد که حجم یک گاز با فشار آن رابطه معکوس دارد، به شرطی که دما ثابت بماند. به عبارت دیگر، اگر دمای گاز ثابت بماند، با افزایش فشار، حجم آن کاهش می‌یابد و برعکس. این قانون توسط رابرت بویل، شیمیدان انگلیسی-ایرلندی، در قرن هفدهم کشف شد و او را به عنوان یکی از پیشگامان شیمی مدرن می‌شناسند. در این مطلب، با استفاده از قانون بویل، به حل یک مسئله نمونه در خصوص تغییر حجم گاز با تغییر فشار خواهیم پرداخت. فهم این قانون برای درک رفتار گازها و کاربردهای آن‌ها در صنایع مختلف بسیار مهم است.

مسئله نمونه: محاسبه حجم با استفاده از قانون بویل

یک بادکنک با حجم اولیه 2.0 لیتر، حاوی گازی با فشار اولیه 3 اتمسفر است. اگر فشار به 0.5 اتمسفر کاهش یابد، بدون اینکه دما تغییر کند، حجم نهایی بادکنک چقدر خواهد بود؟

راه حل

با توجه به ثابت بودن دما، می‌توان از قانون بویل برای حل این مسئله استفاده کرد. قانون بویل به صورت زیر بیان می‌شود:

P1V1 = P2V2

که در آن:
P1 = فشار اولیه
V1 = حجم اولیه
P2 = فشار نهایی
V2 = حجم نهایی

برای محاسبه حجم نهایی (V2)، معادله را به صورت زیر بازنویسی می‌کنیم:

V2 = (P1V1) / P2

با جایگذاری مقادیر داده شده:
V1 = 2.0 L
P1 = 3 atm
P2 = 0.5 atm
V2 = (2.0 L * 3 atm) / 0.5 atm
V2 = 6 L / 0.5 atm
V2 = 12 L

پاسخ

حجم بادکنک به 12 لیتر افزایش می‌یابد.

کاربردهای بیشتر قانون بویل

اگر دما و مقدار گاز ثابت بمانند، قانون بویل به این معناست که دو برابر کردن فشار یک گاز، حجم آن را نصف می‌کند. در ادامه، چند مثال دیگر از کاربردهای قانون بویل در زندگی روزمره را بررسی می‌کنیم:

• فشردن پیستون یک سرنگ بسته باعث افزایش فشار و کاهش حجم داخل آن می‌شود. به دلیل وابستگی نقطه جوش به فشار، می‌توان با استفاده از قانون بویل و یک سرنگ، آب را در دمای اتاق به جوش آورد.
• ماهی‌های اعماق دریا وقتی به سطح آب آورده می‌شوند، می‌میرند. با کاهش شدید فشار، حجم گازهای موجود در خون و کیسه شنای آن‌ها افزایش یافته و باعث ترکیدن بافت‌های بدنشان می‌شود.
• همین اصل در مورد غواصانی که دچار "بیماری رفع فشار" می‌شوند، صدق می‌کند. اگر غواص خیلی سریع به سطح برگردد، گازهای حل شده در خون او منبسط شده و حباب‌هایی تشکیل می‌دهند که می‌توانند در مویرگ‌ها و اندام‌ها گیر کنند.
• وقتی زیر آب حباب درست می‌کنید، این حباب‌ها با صعود به سطح، بزرگ‌تر می‌شوند. نظریه‌ای در مورد علت ناپدید شدن کشتی‌ها در مثلث برمودا به قانون بویل مربوط می‌شود. بر اساس این نظریه، گازهای آزاد شده از کف دریا با صعود به سطح منبسط شده و حباب‌های بسیار بزرگی ایجاد می‌کنند. قایق‌های کوچک به داخل این "حفره‌ها" سقوط کرده و غرق می‌شوند.